孪晶金纳米线的塑性变形控制机理研究

论文摘要

现阶段的研究表明,在纳米尺度下,孪晶界对材料的塑性有着重要的影响。其原因是孪晶界扮演了位错源的角色,同时对位错的产生提供了斥力。在本文中,大规模分子动力学用来研究在单向拉伸下有限长度孪晶纳米线的塑性行为。研究的重点集中在初始塑性的竞争机制上：一种关于位错源数目和由于孪晶界引起的斥力的竞争。在不同的孪晶厚度上,不同的塑性发生机制成为控制机理。模拟结果显示由于控制机理不同,随着孪晶界尺寸变小,初始塑性存在着一个从软化到硬化的过程。在本文中,以上两个因素分别进行独立研究：一方面,随着孪晶界引起斥力的强度增长,临界切分应力线性增长。另一方面,临界切分应力和位错源数目呈线性关系。另外,本文在基于率相关过渡态框架下建立了一个理论分析模型,进一步研究了这种竞争机制。理论解和模拟结果吻合较好,验证了竞争机制的合理性。而且理论模型得到了若干在模拟过程中不易得到的结果。最后,本文也系统讨论了尺寸效应,热效应和应变率效应对塑性发生的影响。研究结果显示临界切分应力的大小高度依赖于温度,孪晶纳米线的长度,加载应变率。转折点孪晶厚度是一个关于温度和直径的函数。但是,长度和应变率对转折点孪晶厚度没有明显效果。这些结论可以被理论模型合理地解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米线简介
• 1.3 纳米孪晶结构和孪晶纳米线研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 1.4.1 本文选题背景
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 2 经典分子动力学
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学基本原理
• 2.2.1 分子动力学的列式
• 2.2.2 积分算法
• 2.2.3 系综与数值实现
• 2.2.4 周期性边界条件与非周期性边界条件
• 2.2.5 邻域列表算法
• 2.3 原子间势能函数
• 2.3.1 对势函数
• 2.3.2 金属的镶嵌原子势
• 2.4 分子动力学中物理量计算
• 2.4.1 温度计算
• 2.4.2 压力计算
• 2.4.3 应力计算
• 2.5 分子模拟中的缺陷可视化
• 2.5.1 能量方法
• 2.5.2 共同近邻分析
• 2.6 小结
• 3 孪晶纳米线初始塑性变形的分子动力学模拟
• 3.1 孪晶纳米线计算模型
• 3.1.1 原子模型的建立
• 3.1.2 平衡和加载过程中的细节
• 3.2 分子动力学模拟结果
• 3.3 初始塑性变形的控制机理
• 3.3.1 研究现状
• 3.3.2 位错源理论
• 3.3.3 考虑位错源和斥力影响的初始塑性变形竞争机制
• 3.4 小结
• 4 基于率的孪晶纳米线初始塑性变形的理论研究
• 4.1 在纳米尺度下位错产生的特点
• 4.2 位错产生率和转折点的计算
• 4.3 影响塑性变形的若干因素的讨论
• 4.3.1 纳米线长度对塑性变形的影响
• 4.3.2 纳米线直径对塑性变形的影响
• 4.3.3 加载应变率对塑性变形的影响
• 4.3.4 温度对塑性变形的影响
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢