近些年來(lái),隨著科技的發(fā)展,對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。而納米金屬材料在越來(lái)越多的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,正是因?yàn)榧{米晶體材料具有的特殊力學(xué)性質(zhì),如晶粒尺寸在納米級(jí)別的材料,它的硬度,強(qiáng)度和延展性等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通材料。如果能夠更加清楚地了解金屬材料微觀缺陷對(duì)其性能的影響,就可以通過(guò)改變材料的微結(jié)構(gòu)來(lái)提高金屬的性能。因此,了解納米金屬材料的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)而熟悉微結(jié)構(gòu)變形機(jī)制,對(duì)于設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足人們需求的應(yīng)用材料具有重大的意義。本文從微觀尺度出發(fā),運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,對(duì)單晶Cu的劇烈塑性變形過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,研究材料塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)的微結(jié)構(gòu)演化機(jī)理,并通過(guò)可視化軟件對(duì)該材料不同階段的微結(jié)構(gòu)模擬過(guò)程進(jìn)行分析。研究了納米面心立方金屬的變形機(jī)制中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演化,即位錯(cuò)增殖、位錯(cuò)塞積、晶界的運(yùn)動(dòng)等等,從而探究其對(duì)宏觀性能的影響,最后與單晶Ni的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模擬結(jié)果表明:在塑性變形過(guò)程中,位錯(cuò)主要以弗蘭克—里德增殖源機(jī)制進(jìn)行增殖;單晶Cu和Ni在拉伸階段,滑移面與滑移方向趨于拉伸軸線(xiàn)方向,在壓縮階段,滑移面逐漸與壓力軸線(xiàn)的方向垂直,同時(shí)結(jié)合銅和鎳位錯(cuò)密度的對(duì)比發(fā)現(xiàn),材料中出現(xiàn)的晶界越多,位錯(cuò)密度越大;對(duì)應(yīng)力與密度的關(guān)系進(jìn)行分析,得出材料塑性變形時(shí),材料內(nèi)部必然存在著位錯(cuò)的開(kāi)動(dòng)、增殖與消亡,而這些位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到結(jié)構(gòu)細(xì)化的目的。
【學(xué)位單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O614.121;TB383.1
【部分圖文】：

2.1 計(jì)算模型的建立在晶體學(xué)中，常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)以原子排列順序的不同可分為三類(lèi)，包心立方結(jié)構(gòu)（BCC）、面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）、密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）。其課題主要研究的面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，涉及到的金屬有 Cu 和 Ni 等。本文究對(duì)象主要為金屬銅（Cu）。單晶銅中幾何模型的原子是按照理想面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）排布的，在構(gòu)型時(shí)使面心立方晶體中的[1 0 0]、[0 1 1]、[0 -1 1]三個(gè)晶向分別對(duì)應(yīng) X、Y個(gè)坐標(biāo)軸，以便于觀察位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。初始時(shí)構(gòu)建模型的幾何尺寸為 100100 nm×1.0 nm，模擬體系中 Cu 原子總數(shù)為 868672 個(gè)。銅的晶格常數(shù)為=0.3615nm。模型 X、Y 和 Z 軸方向均采用周期性邊界條件。由于所建模型相對(duì)很小，因此可以把模型近似的作為一個(gè)平面問(wèn)題來(lái)考慮。為了更好的觀分析，我們運(yùn)用軟件對(duì)模擬進(jìn)行可視化分析的同時(shí)，先對(duì)原子進(jìn)行著色，綠示面心立方結(jié)構(gòu)的原子，紅色表示密排六方結(jié)構(gòu)的原子，白色表示其他結(jié)構(gòu)子，再輸出模型內(nèi)部微結(jié)構(gòu)示意圖。圖 2-1 為建模完成之后的初始幾何模型圖：

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2.2 計(jì)算模型的初始條件和加載方式本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，采用嵌入原子（EAM）勢(shì)函數(shù)，在等溫（NPT）系綜下進(jìn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體積來(lái)保持壓強(qiáng)恒定為 5GPa�？販剡x用 Berendsen 熱浴法[39]，使體系溫度保持在 300K。X、Y、Z 都采用周期界條件，積分方法選擇 Verlet 算法，使應(yīng)變率控制在 1.265×109s-1左右。利子動(dòng)力學(xué)模擬軟件 Lammps 對(duì)建立的計(jì)算模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)的剪切模擬，利用可視化軟件 Ovito 觀察和分析材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化。加載原理均為剪切變形，根據(jù)加載方式造成的模型表觀現(xiàn)象可以解釋為先 軸方向剪切一個(gè)周期（稱(chēng)之為剪切階段），再沿 Y 軸拉伸一個(gè)周期（稱(chēng)之伸階段），使模型在 Y 軸方向總長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉?lái)模型尺寸的二倍。最后沿 Y 縮一個(gè)周期（稱(chēng)之為壓縮階段），使模型壓縮至模型的拉伸前的尺寸，停止。加載過(guò)程示意圖如圖 2-2 所示。

（b）出現(xiàn)較少的兩種位錯(cuò)圖 2-3 各類(lèi)位錯(cuò)示意圖Fig.2-3 Schematic of various dislocations2.3.1 位錯(cuò)增殖位錯(cuò)的研究中，位錯(cuò)增殖的研究必不可少，起著基礎(chǔ)性作用。晶體內(nèi)原本處在滑移面上的位錯(cuò)數(shù)目不會(huì)太多，不足于解釋塑性變形過(guò)程中必不可少的大量滑移現(xiàn)象，從而使得位錯(cuò)的增殖顯得尤為重要。在完整的晶體中，產(chǎn)生位錯(cuò)所需的能量很高，接近于理論強(qiáng)度。因此，要用位錯(cuò)理論來(lái)解釋塑性變形，需要有一個(gè)可以在應(yīng)力作用下源源不斷產(chǎn)生位錯(cuò)的機(jī)制，也就是位錯(cuò)增殖機(jī)制。晶體中的位錯(cuò)在經(jīng)過(guò)一定形式運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，自身不斷產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)或大幅度增加位錯(cuò)線(xiàn)長(zhǎng)度，從而使材料中的位錯(cuò)數(shù)目或位錯(cuò)密度在運(yùn)動(dòng)中不斷增大的過(guò)程，這就是位錯(cuò)增殖的過(guò)程。位錯(cuò)的增殖機(jī)制主要有三種：弗蘭克-里德位錯(cuò)源（Frank-Read source）機(jī)制、雙交滑移增殖機(jī)制和攀移增殖機(jī)制。能使位錯(cuò)增殖發(fā)生的特殊位錯(cuò)組態(tài)或

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2820999