納米晶金屬加工硬化的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、納米晶金屬由于其高的強(qiáng)度和物理化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于微電子系統(tǒng)、集成微電機(jī)系統(tǒng)、納米器件、光刻機(jī)、表面工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。貴金屬Ag具有很高的熱和電導(dǎo)性在超大集成電路的連線方面也有廣泛應(yīng)用。然而隨著晶粒尺寸減小到納米尺度，納米晶金屬表現(xiàn)出了一個(gè)重要的缺陷——低的延展性，其主要原因是材料的加工硬化率非常低。通過(guò)材料設(shè)計(jì)制備出具有高強(qiáng)度同時(shí)還具有高延展性的納米晶材料，將在工程應(yīng)用和擴(kuò)大納米晶材料的應(yīng)用范圍上具有非常重要的意義。因此本文著重

2、研究納米晶金屬的加工硬化現(xiàn)象。
　　本文主要采用分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行納米晶金屬加工硬化的研究。
　　模擬了不同傾角下非對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界雙晶Ag納米線、對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界雙晶納米線、任意大角度晶界雙晶納米線和∑3共格孿晶界單軸拉伸過(guò)程中的加工硬化。模擬結(jié)果表明僅在對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界Ag納米線和∑3共格孿晶界的模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象。對(duì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，非對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界和任意大角度晶界雙晶Ag納米線在單軸拉伸過(guò)程中容易過(guò)早地

3、在晶界處形核納米孔洞，隨后納米孔洞的長(zhǎng)大和合并導(dǎo)致納米線迅速失效，沒能夠出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。而對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界能夠在雙晶Ag納米線的拉伸過(guò)程中抑制晶界處納米孔洞的形核，并且在拉伸過(guò)程中位錯(cuò)之間的反應(yīng)形成了諸如Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖、壓桿位錯(cuò)和割階等阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，因而出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象。∑3共格孿晶界Ag納米線在單軸拉伸過(guò)程孿晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙以及位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互作用，如形成的割階等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了加工硬化的出現(xiàn)。但是位錯(cuò)與

4、孿晶界相互作用后形成的空位和位錯(cuò)相互作用形成的空位逐漸長(zhǎng)大，演變成孔洞，孔洞不斷長(zhǎng)大并相互合并，對(duì)孿晶界和晶體內(nèi)部造成破壞，使得納米線過(guò)早失效，位錯(cuò)沒能夠與孿晶界和其他位錯(cuò)進(jìn)行充分的相互作用，從而使納米孿晶納米線喪失了進(jìn)一步加工硬化的能力。
　　模擬了不同平均晶粒尺寸下多晶Ag納米線單軸拉伸過(guò)程中的加工硬化。發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸大于等于4.958nm的納米線變形主要依靠位錯(cuò)活動(dòng)來(lái)進(jìn)行，都出現(xiàn)了短暫的加工硬化現(xiàn)象，但是孔洞的過(guò)早出現(xiàn)使得納米

5、線逐漸軟化，失效。在失效前位錯(cuò)沒有充分的時(shí)間來(lái)進(jìn)行相互作用，從而降低了納米線的加工硬化的能力。而晶粒尺寸小于4.958nm的納米線主要通過(guò)晶界活動(dòng)來(lái)變形，沒有出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。
　　模擬了層狀多晶Ag納米晶單軸拉伸過(guò)程中的加工硬化。在層狀多晶Ag納米晶塊體的單軸拉伸過(guò)程中觀察到了壓桿位錯(cuò)和Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖等阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，因而出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象，同時(shí)具有較穩(wěn)定的塑性流變。而在層狀多晶Ag納米晶薄膜的拉伸過(guò)程中

6、，由于受到Z方向自由表面的影響，因而觀察到更少的壓桿位錯(cuò)和Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖等阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，因而出現(xiàn)的加工硬化現(xiàn)象很微弱，但也出現(xiàn)了穩(wěn)定的塑性流變。然而在層狀多晶Ag納米線的單軸拉伸過(guò)程中則沒有觀察到加工硬化現(xiàn)象，其原因是自由表面對(duì)位錯(cuò)活動(dòng)的影響，位錯(cuò)沒能夠發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，沒能夠形成阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。
　　模擬了平均晶粒尺寸為1.769nm，5.562nm和8.566nm的多晶Mo納米線單軸拉伸過(guò)程中的