梯度纳米结构多晶铜变形机理的分子动力学仿真

发布时间：2021-10-30 03:28

　　梯度纳米结构材料近几年开始获得广泛关注,这是对金属表面纳米化处理后引申得到的概念,即晶粒尺寸在空间上由小到大逐渐增加,这种纳米结构能有效增强材料性能。本文利用分子动力学仿真方法研究了梯度纳米结构多晶铜的变形机理,仿真内容包括单轴拉伸和疲劳拉伸模拟。单轴拉伸的仿真发现梯度纳米结构多晶铜在拉伸时具有独特的应力分布,高应力区域为类似三角形的“金字塔”形状,这种受力形态能够协调大晶粒和小晶粒,避免应力局部化并抑制裂纹的产生;通过对比不同晶粒尺寸分布的梯度模型,发现当晶粒尺寸呈线性变化时材料的强度极限较高;通过改变最大晶粒尺寸,发现最大晶粒尺寸（20nm）是最小晶粒尺寸（5nm）的4倍时模型有较高的强度极限和伸长率,当最大晶粒尺寸（16nm）减小到最小晶粒的3.2倍时,梯度结构抵抗拉伸变形的能力急剧下降;在疲劳拉伸循环的仿真中,梯度纳米结构多晶铜模型能有效缓解应力集中,抑制裂纹萌生,延长材料疲劳寿命,普通结构多晶铜疲劳寿命相对较短,失效时裂纹扩展迅速同时伴有位错出现。总之,本次仿真证明梯度纳米结构多晶铜在强度极限、伸长率和疲劳寿命方面都明显优于普通结构多晶铜,通过观察和分析变形机理,发现影响因素... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

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【部分图文】：

梯度纳米材料的强度-塑性匹配与纳米晶-粗晶混合材料的比较

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4图1-2 传统粗晶粒材料a)和纳米晶材料b)的不同强化机制示意图[12]更容易通过，此时便出现了材料软化现象，值得一提的是，这种现象常见于晶粒尺寸足够小的材料，但相应的晶粒尺寸还要比Hall-Petch临界晶粒尺寸稍大。对有些材料来说，晶粒的大小还没减小到Hall-Petch临界晶粒尺寸时，材料就出现强度下降，原因就是晶界对位错的阻碍作用不强。以上就是Hall-Petch关系的简单讨论。早在世纪之交，卢柯开始了纳米材料的相关研究，在纳米材料的强度、塑性、弹性模量、应变强化、超塑性、蠕变及变形机理等相关问题上[14]，强调由于纳米材料的晶粒尺寸较小

度至少10 mm，其中最小的晶粒尺寸达到了10 nm[16]。工艺原理如图1-3所示，直径为3 mm的不锈钢丸置于超声波震动发射室中，系统的高频率震动对试样表面进行充分喷丸处理。图1-3 表面机械研磨原理示意图[16]结合大量的实验结果，卢柯系统地解释了材料如何通过塑性变形实现晶粒细化[17]，如图1-4所示为两种细化晶粒方法，一种是变形过程中出现了致密的位错壁，位错壁不断产生并以亚晶界的状态割裂晶粒，后期在热力学处理后成为晶界，晶粒细化完成。另一种是在晶界产生位错缠绕，这些位错向各个方向扩展

【参考文献】：
期刊论文
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[3]梯度结构金属材料研究进展[J]. 李毅.  中国材料进展. 2016(09)
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[5]分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J]. 张世良,戚力,高伟,冯士东,刘日平.  燕山大学学报. 2015(03)
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[7]利用分子动力学研究梯度纳米孪晶Cu的微观变形机理[J]. 周昊飞,曲绍兴.  金属学报. 2014(02)
[8]晶体塑性模型在单晶铜低周疲劳行为中的应用[J]. 郭运强,张克实,耿小亮,刘芹.  机械强度. 2009(02)
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[10]表面纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响[J]. 王镇波,雍兴平,陶乃镕,李曙,刘刚,吕坚,卢柯.  金属学报. 2001(12)

博士论文
[1]梯度微纳有序结构的构筑及应用研究[D]. 薛培宏.吉林大学 2017

硕士论文
[1]基于分子动力学的铜铅合金拉伸变形特性的研究[D]. 韩浏淼.哈尔滨工业大学 2018



本文编号：3465959