【摘要】：納米晶(nanocrystalline, NC)金屬及其合金由于其優(yōu)秀的力學性質在工業(yè)界得到廣泛的應用。這主要是因為納米晶中晶粒尺寸被細化到納米尺度,一般情況下在100納米以下。由于微結構中的面缺陷,例如晶界、共格孿晶界、非共格孿晶界的存在,金屬強度被極大提高。因為這些缺陷作為位錯形核源,會在材料變形階段提供大量位錯以兼容應變。同時晶界及孿晶界對材料內部裂紋的擴展有著至關重要的影響。裂紋擴展過程中裂尖產生的各類塑性變形(相變,位錯發(fā)射等),會與晶界共同作用,影響裂紋擴展。對于納米尺度的材料而言,傳統(tǒng)實驗手段很難準確捕捉到材料內部微結構的演化過程,而利用分子動力學方法通過計算機模擬手段可以將原子尺度的缺陷演化過程清晰得以呈現(xiàn),從而進行變形機制的深入研究與分析。因此,本文利用分子動力學方法,對含有晶界及孿晶界的不同種類的金屬材料進行模擬,討論了材料的宏觀力學性質,并通過對其微觀結構的演化進一步解釋了材料的變形機制。主要研究工作取得如下進展：1.模擬并討論了體心立方鐵含有{112}(110)晶界的雙晶模型在拉伸載荷作用下的變形過程以及沿晶裂紋擴展。在模擬中發(fā)現(xiàn),雙晶模型在拉伸載荷作用下,塑性變形機制主要為晶界面上位錯逐層形核導致的相變和非晶界面位錯滑移導致的含有孿晶界的折線狀結構的生成。相變主要在塑性階段初期出現(xiàn),而隨著應變增大,含有孿晶界的折線狀結構逐漸開始主導塑性變形。雙晶模型中沿晶裂紋的擴展會受到裂紋位置和溫度的影響,相比于前兩者應變率對裂紋擴展影響不大。2.模擬并討論了{1012}(1011納米孿晶鎂在單軸壓縮及單軸拉伸載荷作用下的變形行為以及沿晶裂紋擴展,在考慮孿晶界間距、加載方向以及裂紋位置等因素的前提下揭示了{1012}1011納米孿晶鎂的塑性變形機制和不同孿晶界間距時韌脆轉變的內在原因。在模擬中發(fā)現(xiàn),在單軸壓縮載荷作用下,{1012}(1011納米孿晶鎂的塑性變形機制隨應變增大由基面部分位錯活動轉變?yōu)閷\晶遷移；而在單軸拉伸載荷作用下,材料的塑性變形以基面位錯活動、基面層錯及面心立方相變?yōu)橹�。當改變加載方向后,會導致孿晶界遷移機制與基面位錯發(fā)射機制的競爭。{1012}1011)納米孿晶鎂中沿晶裂紋位置的改變會對裂紋擴展機制產生影響。不同的孿晶界間距也使材料出現(xiàn)韌脆轉變,較小的孿晶界間距會抑制沿晶裂紋擴展從而提高材料的斷裂韌性。3.模擬并討論了{1011}(1012)納米孿晶鎂在單軸壓縮及單軸拉伸載荷作用下的變形過程。在考慮了是否存在預置缺陷以及孿晶界間距等因素的前提下,解釋了{1011}(1012)納米孿晶鎂在不同載荷作用下的塑性變形機制,并在此基礎上討論了{1011}(1012)納米孿晶鎂的拉壓不對稱。在模擬過程中發(fā)現(xiàn),由于{1011}(1012)孿晶界極其穩(wěn)定的特征,材料會有很高的屈服強度,但塑性能力很差。當引入預置線缺陷以后,材料塑性能力有所提高。其中在單軸壓縮載荷作用下,模型的塑性變形機制主要為基面位錯滑移同時模型中也存在一定數(shù)量的錐面滑移。在單軸拉伸載荷作用下,基面滑移和錐面滑移為主要塑性變形機制。由于壓縮模型與拉伸模型塑性機制不同的原因導致了{1011}(1012)納米孿晶鎂的拉壓不對稱。此外,在拉伸載荷作用下,左側邊界裂紋的裂尖附近僅有少量基面位錯活動,同時由于{1011}(1012)孿晶面無法像{1012}(1011孿晶面一樣作為裂紋擴展面,材料展現(xiàn)了較強的斷裂韌性。4.{1012)(1011納米孿晶與{1011}(1012)納米孿晶由于其所包含孿晶界的不同,力學性質與塑性變形機制有顯著差異。對于{1012}(1011納米孿晶而言,由于其內部孿晶界較易于形核基面位錯,并提供大量位錯活動,因此對其塑性能力有一定提高作用。同時由于{1012}(1011孿晶界可作為裂紋擴展面,對沿晶裂紋擴展無法起到有效抑制作用。而{1011}(1012)孿晶界由于其穩(wěn)定性,很難在孿晶面形核大量位錯,這種性質一方面有助于提高材料的屈服強度另一方面也會導致材料較低的塑性變形能力。通過預置線缺陷,可有效改善{1011}(1012)納米孿晶材料的塑性變形能力。此外由于{1011}(1012孿晶界很難作為沿晶裂紋擴展面,因此提高了材料的斷裂韌性。
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【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O346.1;TB383.1

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本文編號：2322041