【摘要】：納米材料指晶粒尺寸在1-100nm之間的物質(zhì),納米材料正成為一種新型材料,廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。納米金屬由于其區(qū)別于粗晶的特殊性質(zhì)而引起了人們廣泛關(guān)注,例如其增長的硬度、屈服應(yīng)力、超強的韌性,與粗晶相比變大的擴散系數(shù)、優(yōu)良的耐磨性等。相比于粗晶,納米多晶材料的楊氏模量減小、定容熱容增大,了解納米多晶金屬的彈性及熱力學(xué)性質(zhì)有助于提升納米材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用價值。本文主要包含兩部分研究內(nèi)容,首先用Voronoi幾何法搭建不同晶粒大小的納米多晶金屬鋁和銅樣本,并對初始結(jié)構(gòu)進行弛豫來降低由大角度晶界帶來的高應(yīng)力和高能量。在弛豫過程中監(jiān)測了體系結(jié)構(gòu)、平均能量、平均內(nèi)應(yīng)力等在各個過程的變化情況,對比分析了不同晶粒樣本在同一弛豫過程的變化趨勢。畫出了初始結(jié)構(gòu)與弛豫后樣本的結(jié)構(gòu)圖,發(fā)現(xiàn)晶界原子所占比例發(fā)生了變化,最終獲得了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu);其次,用經(jīng)典分子動力學(xué)模擬方法對比了施加微小應(yīng)變時納米多晶與單晶的冷能曲線,計算分析了晶粒大小對納米多晶金屬鋁和銅的彈性常數(shù)和一些熱力學(xué)參數(shù)的影響。通過對體系施加微小的拉伸或壓縮應(yīng)變,畫出了對應(yīng)的冷能曲線,并與相應(yīng)的單晶曲線圖進行了對比,發(fā)現(xiàn)圖形形狀基本一致,微小差別可能由于晶界引起的,說明了模擬方法的可行性。計算彈性常數(shù)選用的是恒壓分子動力學(xué)方法,在晶粒粒徑小于10nm時,發(fā)現(xiàn)體系的硬度隨著尺寸的減小而變軟,與反Hall-Petch效應(yīng)吻合。樣本的拉伸強度隨著晶粒的增大變得更難,壓縮程度則相對變得容易。根據(jù)熱力學(xué)參量與獨立彈性常數(shù)的關(guān)系,得出剪切模量、泊松比、德拜溫度等熱力學(xué)值,使我們更深入的認識小晶粒粒徑納米材料的抵抗形變、塑性變形、剛性和延性等性質(zhì)。通過詳細分析小粒徑納米多晶金屬的彈性和熱力學(xué)性質(zhì),可以使人們更全面的認識微小納米材料,為更好的應(yīng)用納米材料提供了有力保障。
[Abstract]:Nanomaterials refer to materials with grain size between 1-100nm. Nanomaterials are becoming a new type of materials and are widely used in various fields. Nanometallic materials have attracted much attention due to their special properties different from coarse grains, such as their increasing hardness, yield stress, super toughness, large diffusion coefficient compared with coarse grains, excellent wear resistance and so on. Compared with coarse crystals, the Young's modulus of nanocrystalline materials decreases and the heat capacity of nanocrystalline materials increases. Understanding the elastic and thermodynamic properties of nanocrystalline metals is helpful to enhance the application value of nanocrystalline materials in various fields. This paper mainly consists of two parts. Firstly, the samples of nanocrystalline aluminum and copper with different grain sizes are constructed by Voronoi geometry method, and the initial structure is relaxed to reduce the high stress and high energy caused by large angle grain boundary. The changes of system structure, average energy and average internal stress in each process were monitored during the relaxation process, and the variation trends of different grain samples in the same relaxation process were compared and analyzed. The structure diagram of the initial structure and the relaxed sample is drawn. It is found that the proportion of the grain boundary atoms has changed and finally the stable structure has been obtained. Secondly, the cold energy curves of nanocrystalline polycrystalline and single crystal are compared by classical molecular dynamics simulation method, and the effect of grain size on elastic constants and some thermodynamic parameters of nanocrystalline aluminum and copper are calculated and analyzed. The corresponding cold energy curves are drawn by applying small tensile or compression strain to the system, and compared with the corresponding single crystal curves, it is found that the figure shape is basically the same, and the slight difference may be caused by the grain boundary. The feasibility of the simulation method is illustrated. The constant pressure molecular dynamics method is used to calculate the elastic constants. When the grain size is smaller than 10nm, it is found that the hardness of the system softens with the decrease of the size, which coincides with the inverse Hall-Petch effect. The tensile strength of the sample becomes more difficult with the increase of grain size, and the compression degree becomes relatively easy. According to the relationship between thermodynamic parameters and independent elastic constants, the thermodynamic values such as shear modulus, Poisson's ratio, Debye temperature and so on are obtained, which makes us know more about the resistance to deformation, plastic deformation, rigidity and ductility of nano-materials with small grain size. Through the detailed analysis of the elastic and thermodynamic properties of nanocrystalline metal with small particle size, it can make people fully understand the micro-nano materials and provide a strong guarantee for the better application of nanocrystalline materials.
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG111;TB383.1

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本文編號：2311509