纳米双晶铜单向拉伸力学行为的分子动力学模拟

论文摘要

双晶是由单晶向多晶过渡的一种晶体,研究双晶对于了解多晶的某些力学行为具有指导意义。本文采用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米双晶铜在单向拉伸载荷作用下的弹性力学性能,并对拉伸变形过程中应变率、晶体晶向及孔洞对初始弹性模量、屈服应力等力学特性的影响问题进行了深入的讨论。研究表明,弹性模量和屈服极限明显受应变率的影响,随着应变率的增大它们整体呈增大的趋势。应变率对双晶铜拉伸过程的影响在不同的应变率区域有所不同,在低应变率区,弹性模量表现出应变率无关性,在高应变率区,弹性模量的应变率相关性非常明显,因此存在一个应变率阈值来控制这两个应变率区域的范围;进一步的研究发现,随着试样尺寸的增大,应变率阈值有逐渐减小的趋势。晶向对弹性模量的影响主要表现在:首先,弹性模量对晶界倾角的响应大致关于900对称,且根据响应程度及响应趋势的不同可将倾角分为三个不同的区域,并发现在每个区域都存在一个转折倾角来控制响应趋势。研究还发现,随着温度的升高弹性模量的变化幅值越小,随着试样尺寸的减小,弹性模量整体呈减小的趋势且波动性增强。本文还就不同形式的球形孔洞对双晶铜弹性力学行为的影响作了详细的分析和讨论。结果发现,孔洞的存在显著降低了材料的强度和刚度。对于含对称孔洞的双晶铜试样,随着孔间距的增大,弹性模量和屈服应力的值也呈增大的趋势,随着孔洞半径的增大,弹性模量和屈服应力迅速减小;对于在晶界上含有孔洞的双晶铜试样,孔形状不同,弹性模量的响应也有所不同,并且孔的尺寸效应也不可忽视,随着孔半径的增大,弹性模量和屈服应力均呈线性递减的趋势,最后保持晶界上孔洞体积不变而改变孔数量,研究发现,随着孔数量的增多,弹性模量和屈服应力均呈线性减小的趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料与纳米科学
• 1.2 分子动力学概述
• 1.3 LAMMPS 简介
• 1.4 本文的研究意义、内容和目的
• 2 分子动力学模拟的原理与方法
• 2.1 分子动力学基本原理
• 2.2 原子间作用势函数
• 2.3 分子动力学模拟的粒子系综.
• 2.4 分子动力学模拟方法
• 3 纳米双晶铜单向拉伸力学性能的应变率效应.
• 3.1 引言
• 3.2 双晶铜模型和模拟步骤.
• 3.3 模拟结果与分析
• 3.4 本章小节
• 4 双晶铜晶向效应的研究
• 4.1 概述
• 4.2 双晶铜界面模型及模拟步骤.
• 4.3 模拟结果与分析
• 4.4 本章小节
• 5 孔洞对双晶铜拉伸特性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 含球形孔洞双晶铜模型及模拟步骤
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.4 本章小节
• 6 全文的总结与展望
• 6.1 本文研究内容
• 6.2 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读学位期间发表论文目录