晶界及納米孿晶力學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、納米晶(nanocrystalline，NC)金屬及其合金由于其優(yōu)秀的力學(xué)性質(zhì)在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用。這主要是因?yàn)榧{米晶中晶粒尺寸被細(xì)化到納米尺度，一般情況下在100納米以下。由于微結(jié)構(gòu)中的面缺陷，例如晶界、共格孿晶界、非共格孿晶界的存在，金屬強(qiáng)度被極大提高。因?yàn)檫@些缺陷作為位錯(cuò)形核源，會(huì)在材料變形階段提供大量位錯(cuò)以兼容應(yīng)變。同時(shí)晶界及孿晶界對材料內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展有著至關(guān)重要的影響。裂紋擴(kuò)展過程中裂尖產(chǎn)生的各類塑性變形（相變，位錯(cuò)發(fā)射等）

2、，會(huì)與晶界共同作用，影響裂紋擴(kuò)展。對于納米尺度的材料而言，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段很難準(zhǔn)確捕捉到材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的演化過程，而利用分子動(dòng)力學(xué)方法通過計(jì)算機(jī)模擬手段可以將原子尺度的缺陷演化過程清晰得以呈現(xiàn)，從而進(jìn)行變形機(jī)制的深入研究與分析。因此，本文利用分子動(dòng)力學(xué)方法，對含有晶界及孿晶界的不同種類的金屬材料進(jìn)行模擬，討論了材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)，并通過對其微觀結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)一步解釋了材料的變形機(jī)制。主要研究工作取得如下進(jìn)展:
　　1.模擬并討論了體心立

3、方鐵含有{112}<110>晶界的雙晶模型在拉伸載荷作用下的變形過程以及沿晶裂紋擴(kuò)展。在模擬中發(fā)現(xiàn)，雙晶模型在拉伸載荷作用下，塑性變形機(jī)制主要為晶界面上位錯(cuò)逐層形核導(dǎo)致的相變和非晶界面位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的含有孿晶界的折線狀結(jié)構(gòu)的生成。相變主要在塑性階段初期出現(xiàn)，而隨著應(yīng)變增大，含有孿晶界的折線狀結(jié)構(gòu)逐漸開始主導(dǎo)塑性變形。雙晶模型中沿晶裂紋的擴(kuò)展會(huì)受到裂紋位置和溫度的影響，相比于前兩者應(yīng)變率對裂紋擴(kuò)展影響不大。
　　2.模擬并討論了{(lán)10

4、(1)2}<10(11)>納米孿晶鎂在單軸壓縮及單軸拉伸載荷作用下的變形行為以及沿晶裂紋擴(kuò)展，在考慮孿晶界間距、加載方向以及裂紋位置等因素的前提下揭示了{(lán)10(1)2}<10(11)>納米孿晶鎂的塑性變形機(jī)制和不同孿晶界間距時(shí)韌脆轉(zhuǎn)變的內(nèi)在原因。在模擬中發(fā)現(xiàn)，在單軸壓縮載荷作用下，{10(1)2}<10(11)>納米孿晶鎂的塑性變形機(jī)制隨應(yīng)變增大由基面部分位錯(cuò)活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶遷移;而在單軸拉伸載荷作用下，材料的塑性變形以基面位錯(cuò)活動(dòng)、基面

5、層錯(cuò)及面心立方相變?yōu)橹?。?dāng)改變加載方向后，會(huì)導(dǎo)致孿晶界遷移機(jī)制與基面位錯(cuò)發(fā)射機(jī)制的競爭。{10(1)2}<10(11)>納米孿晶鎂中沿晶裂紋位置的改變會(huì)對裂紋擴(kuò)展機(jī)制產(chǎn)生影響。不同的孿晶界間距也使材料出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變，較小的孿晶界間距會(huì)抑制沿晶裂紋擴(kuò)展從而提高材料的斷裂韌性。
　　3.模擬并討論了{(lán)(1)011}<10(1)2>納米孿晶鎂在單軸壓縮及單軸拉伸載荷作用下的變形過程。在考慮了是否存在預(yù)置缺陷以及孿晶界間距等因素的前提下，解

6、釋了{(lán)(1)011}<10(1)2>納米孿晶鎂在不同載荷作用下的塑性變形機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上討論了{(lán)(1)011}<10(1)2>納米孿晶鎂的拉壓不對稱。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，由于{(1)011}<10(1)2>孿晶界極其穩(wěn)定的特征，材料會(huì)有很高的屈服強(qiáng)度，但塑性能力很差。當(dāng)引入預(yù)置線缺陷以后，材料塑性能力有所提高。其中在單軸壓縮載荷作用下，模型的塑性變形機(jī)制主要為基面位錯(cuò)滑移同時(shí)模型中也存在一定數(shù)量的錐面滑移。在單軸拉伸載荷作用下，基面滑移

7、和錐面滑移為主要塑性變形機(jī)制。由于壓縮模型與拉伸模型塑性機(jī)制不同的原因?qū)е铝藍(lán)(1)011}<10(1)2>納米孿晶鎂的拉壓不對稱。此外，在拉伸載荷作用下，左側(cè)邊界裂紋的裂尖附近僅有少量基面位錯(cuò)活動(dòng)，同時(shí)由于{(1)011}<10(1)2>孿晶面無法像{10(1)2}<10(11)>孿晶面一樣作為裂紋擴(kuò)展面，材料展現(xiàn)了較強(qiáng)的斷裂韌性。
　　4.{10(1)2}<10(11)>納米孿晶與{(1)011}<10(1)2>納米孿晶由于其

8、所包含孿晶界的不同，力學(xué)性質(zhì)與塑性變形機(jī)制有顯著差異。對于{10(1)2}<10(11)>納米孿晶而言，由于其內(nèi)部孿晶界較易于形核基面位錯(cuò)，并提供大量位錯(cuò)活動(dòng)，因此對其塑性能力有一定提高作用。同時(shí)由于{10(1)2}<10(11)>孿晶界可作為裂紋擴(kuò)展面，對沿晶裂紋擴(kuò)展無法起到有效抑制作用。而{(1)011}<10(1)2>孿晶界由于其穩(wěn)定性，很難在孿晶面形核大量位錯(cuò)，這種性質(zhì)一方面有助于提高材料的屈服強(qiáng)度另一方面也會(huì)導(dǎo)致材料較低的塑性