【摘要】：伴隨納米技術(shù)的迅速發(fā)展,學(xué)者們越來越清晰的認(rèn)識到,當(dāng)材料的結(jié)構(gòu)尺寸降低至納米量級時(shí),其力學(xué)行為與在宏觀尺度下存在顯著差異,并呈現(xiàn)出許多新的力學(xué)現(xiàn)象。在納米尺度下研究材料的力學(xué)性能和應(yīng)變過程中的變形機(jī)制,對納米材料結(jié)構(gòu)研究及器件的應(yīng)用具有十分重要的意義。由于實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)的制約,當(dāng)前單獨(dú)依靠實(shí)驗(yàn)方法還無法完全了解納米材料的變形機(jī)制和力學(xué)性能。最近,應(yīng)用分子動力學(xué)模擬開展納米材料相關(guān)研究已經(jīng)成為理論探索和實(shí)驗(yàn)研究的有力補(bǔ)充手段,并已經(jīng)成為納米尺度材料性能研究不可或缺的工具。采用分子動力學(xué)研究納米材料,不但可以通過能量優(yōu)化手段獲取最優(yōu)納米結(jié)構(gòu)模型,還可以實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)演化過程的實(shí)時(shí)、全方位多角度觀察,并能按需分析各變形階段的力學(xué)行為,揭示材料的內(nèi)在變形機(jī)制。因此,本文采用分子動力學(xué)方法,分別對TiAl三維納米多晶、二維純鋁納米平板和一維Cu-Ag核-殼納米線為代表的金屬納米材料,進(jìn)行了能量最優(yōu)結(jié)構(gòu)和微觀變形機(jī)制研究。采用快速冷卻方法制備納米TiAl多晶合金,當(dāng)冷卻速率高于0.02K/ps時(shí),最終形成的凝固產(chǎn)物為具有中程有序和長程無序特征的非晶態(tài)組織;冷卻速率低于或等于0.02K/ps時(shí),最終形成的凝固產(chǎn)物為具有納米結(jié)構(gòu)的TiAl合金,其組織構(gòu)成是γ-TiAl和α_2-Ti_3Al組成的混合組織。在納米TiAl合金形成的過程中,過冷熔體中形成的第一種相結(jié)構(gòu)是具有BCC結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇,該結(jié)構(gòu)是過冷熔體中類二十面體構(gòu)型轉(zhuǎn)化至最終相結(jié)構(gòu)的重要過渡步驟。在BCC團(tuán)簇形成之后,具有HCP構(gòu)型的團(tuán)簇略先于FCC團(tuán)簇形成,同時(shí),BCC團(tuán)簇消失,納米晶體的凝固過程開始,并最終形成具有片層結(jié)構(gòu)的納米多晶體。在納米TiAl多晶合金的變形過程中,當(dāng)應(yīng)變小于9.0%時(shí),納米TiAl多晶合金的塑性變形機(jī)制主要是晶界滑動和片層區(qū)增加兩種機(jī)制,當(dāng)應(yīng)變持續(xù)增加時(shí),晶界上會萌生孔洞,并沿著晶界擴(kuò)展,孔洞之間的聚合進(jìn)一步形成初始的裂紋,并最終導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。對二維納米鋁晶體的變形機(jī)制進(jìn)行了研究。首先,高分辨透射電鏡的原位觀察表明,在純鋁納米晶體中的裂紋擴(kuò)展過程中,裂紋尖端的非晶化現(xiàn)象是存在于裂紋尖端前方區(qū)域的一種擴(kuò)展機(jī)制。其次,二維鋁納米晶體中的分子動力學(xué)模擬結(jié)果顯示,高應(yīng)力強(qiáng)度因子下,裂紋尖端擴(kuò)展機(jī)制從低應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)的經(jīng)典位錯(cuò)運(yùn)動機(jī)制,轉(zhuǎn)變?yōu)閷\生機(jī)制擴(kuò)展或者非晶機(jī)制擴(kuò)展。究竟是以哪種機(jī)制擴(kuò)展取決于裂紋尖端擴(kuò)展最初始時(shí),形成微結(jié)構(gòu)是孿生不全位錯(cuò)還是Lomer位錯(cuò),且在這兩種微結(jié)構(gòu)之間存在著競爭機(jī)制轉(zhuǎn)化點(diǎn)K_I=0.205 eV?~(-2.5),高于該臨界值時(shí),裂紋尖端初始形成的微結(jié)構(gòu)是Lomer位錯(cuò),并最終形成非晶機(jī)制,低于該臨界值時(shí),裂紋尖端形成的初始微結(jié)構(gòu)是孿生不全位錯(cuò),并最終形成孿生擴(kuò)展機(jī)制。對一維Cu-Ag核-殼納米線的研究表明,在能量平衡和溫度弛豫之后,一維Cu-Ag核-殼納米線的結(jié)構(gòu)特征為,當(dāng)Ag層厚度小于1.0 nm時(shí),其表面Ag層中的原子發(fā)生了結(jié)構(gòu)重排,當(dāng)Ag層厚度處于1.0 nm到1.5 nm之間時(shí),平衡狀態(tài)的納米線形狀由圓形結(jié)構(gòu)變?yōu)闄E圓結(jié)構(gòu);采用固定應(yīng)變速率單軸拉伸,研究結(jié)果為,當(dāng)Ag層厚度大于等于1.0nm且溫度低于500 K時(shí),一種新的機(jī)制,即Shockley不全位錯(cuò)由失配位錯(cuò)管提供,并在應(yīng)力作用下運(yùn)動,是該區(qū)域內(nèi)核-殼納米線的主要形變機(jī)制;當(dāng)Ag層厚度小于1.0 nm時(shí),核-殼納米線的形變機(jī)制由失配位錯(cuò)管機(jī)制轉(zhuǎn)化到表面提供位錯(cuò)機(jī)制。另一方面,當(dāng)測試溫度大于等于500 K時(shí),低溫區(qū)域的兩種變形機(jī)制將轉(zhuǎn)化為高溫區(qū)形變機(jī)制。
【圖文】：

第 1 章 緒論 由于晶界具有非常復(fù)雜的空間非均勻性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因塑性變形機(jī)制的分子動力學(xué)研究，與實(shí)際應(yīng)用的需求相用模擬方法生成的納米多晶模型，研究納米多晶材料的為單一機(jī)制，這很難解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的復(fù)雜現(xiàn)象。而后期能量優(yōu)化方式的不同，導(dǎo)致了金屬納米多晶材料塑實(shí)際中應(yīng)用的卻不多。因此，采用正確的模型計(jì)算得出。以下將介紹不同分子動力學(xué)納米多晶建模方法及本文晶的分子動力學(xué)建模方式及本文的研究重點(diǎn)

圖 1-2 包含 12,454,567 原子純鋁塊體的快速凝組織圖[13] configuration for pure Al containing 12,454,567 atoms acquired fromrate[13] 晶體中的斷裂機(jī)理研究現(xiàn)狀 件下使用的金屬通常都為多晶體，但隨著納米材料學(xué)的被制備出來并使用在不同特殊場合，考慮到多晶體納米研究納米單晶體的斷裂機(jī)制可以作為研究多晶納米材料米單晶材料展開了大量的研究。 年，Kelly 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算了銅、銀、鎳、鐵等金屬示，在裂紋尖端前方區(qū)域應(yīng)力集中值大于某一臨界值時(shí)生變化，形成不全位錯(cuò)，并在應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動，這制[57]，此后以 Rice 等人[58]為代表的學(xué)者們對這種機(jī)制的得到驗(yàn)證[59, 60]，如圖 1-3 所示，，該機(jī)制已經(jīng)成為裂紋
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG113.2;TB383.1

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本文編號：2589553