有限元模擬鎂單晶中納米孿晶力學行為.pdf

1、納米孿晶界作為一種共格的晶體面缺陷，可以改善納米結構金屬材料的強度和塑性。一方面，它們與一般的大角度晶界一樣，可以有效地阻擋位錯運動，在納米孿晶界密度較高的情況下，可以大幅度提高材料的強度。另一方面，由于納米孿晶界的對稱性，使得位錯可以沿著它運動，因而具有很強的容納位錯的能力，可以提高材料塑性變形的能力，改善了材料的韌性。本文基于有限元和晶體塑性理論，研究鎂和銅納米孿晶的相關力學行為。主要研究內容如下:
　　(1)運用有限元方法構

2、建鎂{10(1)2}納米孿晶模型。當只考慮一層孿晶時，垂直于{10(1)2}孿晶界方向施加拉伸和壓縮位移載荷，其結構表現(xiàn)出了各向異性的特性。然后在孿晶界7-10個層錯范圍內代入納米孿晶影響區(qū)的塑性本構方程，考慮納米孿晶影響區(qū)對孿晶力學性能的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，當存在納米孿晶影響區(qū)時，由于考慮到滑移系臨界啟動應力，只有當受力大小達到滑移系臨界啟動應力時，才會進入塑性階段。進入塑性階段后，位錯在右端面逃逸，引起應力釋放，使得材料塑性增強。并

3、且隨著孿晶層數(shù)的增加，鎂納米孿晶塑性階段平均應力逐漸減小。此外，在拉伸時出現(xiàn)有頸縮現(xiàn)象。不考慮納米孿晶影響區(qū)時，頸縮現(xiàn)象是由于上下界面固定引起的變形，而考慮納米孿晶影響區(qū)時的頸縮現(xiàn)象主要由于孿晶影響區(qū)內啟動的基面滑移所引起的。拉伸時，孿晶影響區(qū)(TBAZ)內應力高于孿晶內部(TI)區(qū)域。而壓縮時，出現(xiàn)凸出現(xiàn)象，同樣不考慮和考慮納米孿晶影響區(qū)引起的凸出現(xiàn)象是由于不同的原因引起。此外，當對鎂納米孿晶施加壓縮載荷時，TBAZ內部應力低于TI區(qū)

4、域。
　　(2)運用有限元方法構建銅{111}納米孿晶模型。當只考慮一層孿晶時，垂直于{111}孿晶界方向施加拉伸和壓縮位移載荷，其結構與鎂孿晶結構一樣，具有方向性。然后在孿晶界面區(qū)加入納米孿晶影響區(qū)本構方程，考慮納米孿晶影響區(qū)對孿晶力學性能的影響。通過研究結果發(fā)現(xiàn)，當存在納米孿晶影響區(qū)時，考慮到<112>{11(1)}位錯的滑移啟動和孿晶界面對位錯的阻礙作用，使得銅納米孿晶塑性增強。與鎂納米孿晶相比，銅納米孿晶界面阻礙位錯運動的

5、能力要高于鎂納米孿晶。并且隨著孿晶層數(shù)的增加，孿晶影響區(qū)所占體積分數(shù)增大，銅納米孿晶塑性階段平均應力逐漸增大。此外，拉伸時同樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，不考慮納米孿晶影響區(qū)時的頸縮現(xiàn)象是由于上下界面固定引起的變形，而考慮納米孿晶影響區(qū)時的頸縮現(xiàn)象是由于啟動的<112>{11(1)}滑移引起的變形。拉伸時，TBAZ內應力高于TI區(qū)域內。而壓縮時，TBAZ區(qū)有凸出現(xiàn)象出現(xiàn)，同樣不考慮和考慮納米孿晶影響區(qū)引起的凸出現(xiàn)象是由于不同的原因引起的。此外，當對銅

6、納米孿晶施加壓縮載荷時，TBAZ內應力要低于TI區(qū)域內。
　　(3)鎂納米孿晶和銅納米孿晶拉伸及壓縮時力學性能的對比研究。當考慮納米孿晶影響區(qū)時，由于考慮了位錯的滑移，兩者的塑性都得到了提高。但當垂直于鎂{10(1)2}納米孿晶施加荷載時，啟動{10(1)0}基面滑移;而當垂直于銅{111}納米孿晶施加垂直于孿晶面的荷載時，啟動<112>{11(1)}滑移系。銅納米孿晶<112>{11(1)}滑移系的啟動應力要遠高于鎂{10(1)