纳米孔洞对A1力学性能影响的分子动力学模拟研究

发布时间：2017-10-17 17:46

  本文关键词：纳米孔洞对A1力学性能影响的分子动力学模拟研究

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【摘要】：金属材料的初期断裂、辐照损伤等过程会在材料内部产生纳米孔洞,另一方面纳米多孔金属因其独特的结构而表现出一些独特的性质,具有良好的应用前景使其成为理想的力学和功能材料。本文中以Al为例利用分子动力学模拟的方法并采用EAM分子间作用势,探究了纳米孔洞这一缺陷对于金属力学性能的影响。对含纳米孔洞单晶Al在不同晶向加载下变形过程(应变率为2×109s-1)的分子动力学模拟结果进行了分析。1.计算结果表明孔洞表面位错的成核、发射、滑移是孔洞生长以及金属塑性变形的主要机理,当外部加载的应力应变达到一定值时孔洞表面发生位错发射继而向晶体内部滑移,最终由于位错的积累在晶体内部形成位错林。2.沿不同晶向加载,fcc晶体中共12簇{111}(110)滑移系统将被部分激活,导致在孔洞表面发生剪切位错环发射和滑移,材料进入塑性变形阶段呈现出流变软化的行为。位错发射对应的应变在所选取的三个晶向的单轴变形过程中十分接近,与加载的方向无显著的相关性。屈服应力表现出明显的各向异性。3.对不同方向加载下变形过程中位错速度的计算结果表明,由纳米孔洞发射的位错在生成之后的滑移运动为亚声速的。[110]晶向加载下由于存在位错锁阻碍了位错的滑移,使其过程中位错滑移运动表现为一个先减速后加速的变速运动,而在[100]和[111]晶向加载下从单个孔洞发射的位错运动方向呈放射状因而其滑移速度比较稳定几乎不变。4.在本文的模拟中未发现有孪晶产生,孪晶缺失可能与采用的单晶结构以及铝的堆垛层错能较高有关。在沿[110]晶向加载变形的过程中发现有棱位错生成,这可能是由选择的加载方向以及发射棱位错的孔洞在加载晶向有比较充分的空间所引起的。5.在[100]和[111]晶向加载变形过程中,在位错的积累阶段几乎所有的位错都是可动位错；而在[110]晶向加载变形过程中,在相应的阶段可动位错成分比总位错低一个数量级。随着应变继续增大,位错密度趋于稳定(～1017m-2)。6.考虑到孔洞的表面效应,通过引入孔洞表面的檐台效应,对孔洞表面位错发射的临界应力进行了修正,得出了一个普遍的表达式。对比分子模拟检验,对于极小尺寸孔洞表面位错发射的应力和含纳米孔洞材料的屈服应力也能给出较好的预测。
【关键词】：纳米孔洞 纳米多孔 塑性变形 分子动力学 位错
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-30
• 1.1 含纳米孔洞Al的冲击动力学性质的研究意义9-11
• 1.2 含纳米孔洞金属材料的研究现状11-30
• 1.2.1 纳米孔洞的生长与成核机理11-21
• 1.2.2 含纳米孔洞金属材料的力学行为21-25
• 1.2.3 纳米多孔结构材料的力学行为25-30
• 2 分子动力学模拟方法30-39
• 2.1 多质点动力学的基本原理31-32
• 2.2 原子间相互作用势32-34
• 2.2.1 两体势(对势)33
• 2.2.2 嵌入原子势33-34
• 2.3 边界条件的处理方法34-36
• 2.3.1 周期性边界条件34-35
• 2.3.2 其他边界条件35-36
• 2.4 冲击的模拟方法36-37
• 2.5 算法简介37-39
• 3 纳米多孔Al塑性行为的取向特征39-71
• 3.1 模型构建与模拟方法39-41
• 3.2 含纳米孔洞Al的压缩应力应变曲线41-48
• 3.3 塑性变形过程中的位错演化及其取向性48-68
• 3.3.1 位错演化48-52
• 3.3.2 分解剪切应力分析52-58
• 3.3.3 位错速度58-60
• 3.3.4 位错密度60-68
• 3.4 孔洞尺寸的影响68-70
• 3.5 小结70-71
• 4 极小孔洞的表面效应对位错成核的影响71-79
• 4.1 计算模型构造方法71-72
• 4.2 结果与讨论72-78
• 4.3 小结78-79
• 5 总结与展望79-82
• 参考文献82-89
• 攻读学位期间主要研究成果89-90
• 致谢90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 邵建立;王裴;秦承森;周洪强;;冲击加载下孔洞诱导相变形核分析[J];物理学报;2008年02期

2 王博;张建民;路彦冬;甘秀英;殷保祥;徐可为;;fcc金属表面能的各向异性分析及表面偏析的预测[J];物理学报;2011年01期

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本文编号：1050198