納米晶金屬加工硬化的分子動力學模擬.pdf

1、納米晶金屬由于其高的強度和物理化學性能，被廣泛應(yīng)用于微電子系統(tǒng)、集成微電機系統(tǒng)、納米器件、光刻機、表面工程和生物醫(yī)學等領(lǐng)域。貴金屬Ag具有很高的熱和電導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。通過材料設(shè)計制備出具有高強度同時還具有高延展性的納米晶材料，將在工程應(yīng)用和擴大納米晶材料的應(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力學模擬進行納米晶金屬加工硬化的研究。
　　模擬了不同傾角下非對稱傾轉(zhuǎn)晶界雙晶Ag納米線、對稱傾轉(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程中的加工硬化。模擬結(jié)果表明僅在對稱傾轉(zhuǎn)晶界Ag納米線和∑3共格孿晶界的模擬過程中發(fā)現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象。對出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象的原因進行分析后發(fā)現(xiàn)，非對稱傾轉(zhuǎn)晶界和任意大角度晶界雙晶Ag納米線在單軸拉伸過程中容易過早地

3、在晶界處形核納米孔洞，隨后納米孔洞的長大和合并導致納米線迅速失效，沒能夠出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。而對稱傾轉(zhuǎn)晶界能夠在雙晶Ag納米線的拉伸過程中抑制晶界處納米孔洞的形核，并且在拉伸過程中位錯之間的反應(yīng)形成了諸如Lomer-Cottrell位錯鎖、壓桿位錯和割階等阻礙位錯運動的障礙，因而出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象?！?共格孿晶界Ag納米線在單軸拉伸過程孿晶界對位錯運動的阻礙以及位錯在運動過程中相互作用，如形成的割階等結(jié)構(gòu)，導致了加工硬化的出現(xiàn)。但是位錯與

4、孿晶界相互作用后形成的空位和位錯相互作用形成的空位逐漸長大，演變成孔洞，孔洞不斷長大并相互合并，對孿晶界和晶體內(nèi)部造成破壞，使得納米線過早失效，位錯沒能夠與孿晶界和其他位錯進行充分的相互作用，從而使納米孿晶納米線喪失了進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活動來進行，都出現(xiàn)了短暫的加工硬化現(xiàn)象，但是孔洞的過早出現(xiàn)使得納米

5、線逐漸軟化，失效。在失效前位錯沒有充分的時間來進行相互作用，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的納米線主要通過晶界活動來變形，沒有出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。
　　模擬了層狀多晶Ag納米晶單軸拉伸過程中的加工硬化。在層狀多晶Ag納米晶塊體的單軸拉伸過程中觀察到了壓桿位錯和Lomer-Cottrell位錯鎖等阻礙位錯運動的障礙，因而出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象，同時具有較穩(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和Lomer-Cottrell位錯鎖等阻礙位錯運動的障礙，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程中則沒有觀察到加工硬化現(xiàn)象，其原因是自由表面對位錯活動的影響，位錯沒能夠發(fā)生強烈的相互作用，沒能夠形成阻礙位錯運動的障礙。
　　模擬了平均晶粒尺寸為1.769nm，5.562nm和8.566nm的多晶Mo納米線單軸拉伸過程中的