納米多晶金屬的彈性和熱力學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、納米材料指晶粒尺寸在1-100nm之間的物質(zhì)，納米材料正成為一種新型材料，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。納米金屬由于其區(qū)別于粗晶的特殊性質(zhì)而引起了人們廣泛關(guān)注，例如其增長(zhǎng)的硬度、屈服應(yīng)力、超強(qiáng)的韌性，與粗晶相比變大的擴(kuò)散系數(shù)、優(yōu)良的耐磨性等。相比于粗晶，納米多晶材料的楊氏模量減小、定容熱容增大，了解納米多晶金屬的彈性及熱力學(xué)性質(zhì)有助于提升納米材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
　　本文主要包含兩部分研究?jī)?nèi)容，首先用Voronoi幾何法搭建不同晶粒

2、大小的納米多晶金屬鋁和銅樣本，并對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行弛豫來降低由大角度晶界帶來的高應(yīng)力和高能量。在弛豫過程中監(jiān)測(cè)了體系結(jié)構(gòu)、平均能量、平均內(nèi)應(yīng)力等在各個(gè)過程的變化情況，對(duì)比分析了不同晶粒樣本在同一弛豫過程的變化趨勢(shì)。畫出了初始結(jié)構(gòu)與弛豫后樣本的結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)晶界原子所占比例發(fā)生了變化，最終獲得了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；其次，用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)比了施加微小應(yīng)變時(shí)納米多晶與單晶的冷能曲線，計(jì)算分析了晶粒大小對(duì)納米多晶金屬鋁和銅的彈性常數(shù)和一些熱力學(xué)參數(shù)

3、的影響。
　　通過對(duì)體系施加微小的拉伸或壓縮應(yīng)變，畫出了對(duì)應(yīng)的冷能曲線，并與相應(yīng)的單晶曲線圖進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖形形狀基本一致，微小差別可能由于晶界引起的，說明了模擬方法的可行性。計(jì)算彈性常數(shù)選用的是恒壓分子動(dòng)力學(xué)方法，在晶粒粒徑小于10nm時(shí)，發(fā)現(xiàn)體系的硬度隨著尺寸的減小而變軟，與反Hall-Petch效應(yīng)吻合。樣本的拉伸強(qiáng)度隨著晶粒的增大變得更難，壓縮程度則相對(duì)變得容易。根據(jù)熱力學(xué)參量與獨(dú)立彈性常數(shù)的關(guān)系，得出剪切模量、泊松比、