納米結(jié)構(gòu)材料塑性變形行為及其強(qiáng)韌機(jī)理研究.pdf

1、近年來，隨著納米制造工藝的飛速發(fā)展以及納米材料在工業(yè)部門中越來越廣泛的應(yīng)用，具有納米微結(jié)構(gòu)或者微納米幾何尺寸的材料引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。微納米材料往往含有多個(gè)內(nèi)部和外部特征尺寸，它們的耦合作用使得材料的塑性變形呈現(xiàn)出不同的物理機(jī)制，并導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和韌性呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的尺度效應(yīng)。由于特征尺寸的減小，納米材料中的塑性變形受到特征尺寸的限制，使得納米材料一般都具有很高的強(qiáng)度，然而帶來較差的韌性。強(qiáng)度與韌度的“倒易關(guān)系”限制了納米材

2、料的廣泛應(yīng)用。如何提高納米材料強(qiáng)度的同時(shí)不（或少）犧牲其韌性是科學(xué)家追求的目標(biāo)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和潛在的應(yīng)用前景。為此，本文借助于分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了多種納米多晶結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌化機(jī)理，探討了提高納米多晶材料強(qiáng)度及韌性的可能途徑。本文主要的工作包括如下四個(gè)方面：
　?。?）研究了多晶鋁納米線的單軸拉伸力學(xué)行為，探討了內(nèi)部晶粒尺寸和外部直徑影響納米線強(qiáng)度的耦合效應(yīng)及其物理機(jī)制。模擬結(jié)果表明：在具有不同晶粒尺寸和直徑的多晶納米線

3、中，存在“表面強(qiáng)化”、“晶界輔助變形”、“表面晶粒孿晶變形”、“位錯(cuò)形核和滑移”等多種變形機(jī)制；由于這些機(jī)制的相互競(jìng)爭(zhēng)，具有不同特征尺寸的多晶納米線表現(xiàn)出不同的尺度效應(yīng)。內(nèi)部晶粒尺寸為5 nm的納米線呈現(xiàn)出“直徑越小，強(qiáng)度越高”的趨勢(shì)；晶粒尺寸為10 nm的納米線，其強(qiáng)度隨直徑的減小沒有出現(xiàn)明顯的變化；但是，晶粒尺寸為20 nm的納米線呈現(xiàn)出“直徑越小，強(qiáng)度越低”的趨勢(shì)。
　?。?）提出了一種新的“鏈狀”納米晶結(jié)構(gòu)材料模型，探討了

4、其增強(qiáng)及增韌機(jī)理。模擬結(jié)果表明：通過在晶粒尺寸100 nm的多晶中添加“鏈狀”納米晶粒，其拉伸塑性能得到明顯提高但其強(qiáng)度卻不降低。通過對(duì)其變形過程的原子演化細(xì)節(jié)分析，我們發(fā)現(xiàn)：引入“鏈狀”納米晶粒后，由于納米晶的變形協(xié)調(diào)作用，納米鏈狀結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)力集中得到有效釋放，微裂紋的萌生被明顯推遲；此外，“鏈狀”納米晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)有效地抑制了微裂紋的擴(kuò)展；在兩者的共同作用下，“鏈狀”納米晶的韌性得到了明顯提升。
　?。?）研究了納米多晶多層薄

5、膜的單軸拉伸力學(xué)行為，分析了晶粒尺寸和層厚尺寸兩種特征尺寸耦合作用下材料的增強(qiáng)機(jī)理，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果表明：不同的晶粒尺寸下，隨著單層厚度的降低，納米多晶多層膜表現(xiàn)出不同的塑性變形機(jī)制，呈現(xiàn)出不同的強(qiáng)度尺度效應(yīng)。由于晶界或者相界面的約束作用，會(huì)出現(xiàn)“約束偏位錯(cuò)滑移”，“約束擴(kuò)展位錯(cuò)滑移”和“約束晶界滑移”三種變形機(jī)制。隨著晶?；?qū)雍駜蓚€(gè)特征尺寸的增加或減小，三種變形機(jī)制將會(huì)分別主導(dǎo)納米多晶多層薄膜的塑性變形。在此基礎(chǔ)上，

6、本文詳細(xì)分析各種變形機(jī)制相互轉(zhuǎn)變的內(nèi)在原因，并對(duì)“約束偏位錯(cuò)滑移”和“約束擴(kuò)展位錯(cuò)滑移”機(jī)制對(duì)多層膜強(qiáng)度的影響進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果顯示出良好的一致性。
　?。?）研究了納米孿晶多晶多層薄膜單軸拉伸力學(xué)行為，揭示了孿晶厚度對(duì)其強(qiáng)化機(jī)制的重要影響，并對(duì)其在不同變形機(jī)理下的強(qiáng)度進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果表明：通過在納米多晶多層薄膜中引入納米孿晶片，納米多晶多層薄膜的強(qiáng)度可以大幅度提高，并且其強(qiáng)度隨著孿晶厚度的減小而增加，呈現(xiàn)

7、“越小越強(qiáng)”的尺度效應(yīng)。進(jìn)一步的分析表明：不同孿晶厚度下，納米孿晶多層薄膜的變形機(jī)制會(huì)出現(xiàn)變化。當(dāng)孿晶厚度t＞4 nm時(shí)，“發(fā)卡狀”的偏位錯(cuò)滑移是其主要塑性變形機(jī)制，當(dāng)孿晶厚度t＜3 nm時(shí)，“項(xiàng)鏈狀”的多交割位錯(cuò)滑移是其主要塑性變形機(jī)制，當(dāng)孿晶厚度非均勻分布時(shí)，這兩種機(jī)理共存并主導(dǎo)納米孿晶多晶多層薄膜的變形行為。本文詳細(xì)討論了這兩種變形機(jī)制的形成和相互轉(zhuǎn)變的內(nèi)在原因，并分別對(duì)各種變形機(jī)制下多層膜的強(qiáng)度進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果