納米結(jié)構(gòu)Mo與FeAl單軸拉伸特性的分子動力學模擬.pdf

1、本文運用分析型嵌入原子模型，從原子尺度系統(tǒng)研究了納米晶體Au和Mo以及納米絲Mo和FeAl在單軸拉伸作用下的一些力學性能和力學行為，如楊氏模量、形變機制、相變、斷裂方式等。得到的結(jié)果對納米結(jié)構(gòu)材料在化學生物傳感器、光電器件和微型機械等領(lǐng)域的應用具有重要的指導作用。
　　 本文首先簡要地介紹了研究背景和當前有關(guān)納米晶體材料和一維納米絲材料力學性能的研究進展及相關(guān)的理論與方法，包括分析型嵌入原子模型，分子動力學方法和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。

2、
　　 利用準靜態(tài)拉伸應變方法研究了Au納米晶體的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)晶界不僅具有比較高的短程有序度，還存在一定程度的長程有序度；其結(jié)構(gòu)基本與平均晶粒尺寸無關(guān)。隨著平均晶粒尺寸的減小，納米晶體中晶界所占比例明顯增加。Au納米晶體的變形過程主要由晶界原子間的相對滑動和晶粒旋轉(zhuǎn)完成。
　　 利用連續(xù)應變方法研究了Mo納米晶體的基本力學性能、形變機制、相變和斷裂。發(fā)現(xiàn)楊氏模量隨晶粒尺寸增大線性增加，隨溫度線升高線性降低。屈服強度、抗拉強

3、度和流變應力都隨晶粒尺寸的增加而增加，表現(xiàn)出反Hall-Petch關(guān)系?？估瓘姸群土髯儜﹄S溫度的升高急劇的減小。Mo納米晶體在300K時的形變機制既包括晶界原子間的相對滑動和晶粒旋轉(zhuǎn)，還包括位錯的運動，晶間的斷裂，此外孿晶的形成是其第二形變機制。由于在局部發(fā)生應力引起的相變，拉伸過程中在納米晶Mo中出現(xiàn)了fcc和hcp結(jié)構(gòu)。應變率的增加會延遲fcc結(jié)構(gòu)的形成，使之出現(xiàn)在更大的應變，卻增加了fcc結(jié)構(gòu)原子比例的最大值。Mo納米晶體OK時

4、的斷裂是微孔洞形成的納米裂紋在晶界間擴展造成的脆性斷裂，斷裂應變隨晶粒尺寸的減小而增大；300K時的斷裂是孔洞間局域頸縮造成的塑性斷裂。
　　 采用連續(xù)應變方式研究了Mo多晶納米絲在單軸拉伸作用下的力學特性和相變，并與單晶Mo納米絲進行了對比。發(fā)現(xiàn)多晶Mo納米絲通過頸縮和形成原子層的鏈接顯示塑性特征，其形變行為和斷裂方式類似于單晶納米絲。并且晶粒尺寸和長徑比嚴重影響納米絲的形變行為和斷裂。當晶粒數(shù)一定時，較小粒徑或長徑比的納米絲

5、由于原子位置的無序重排呈現(xiàn)超塑性行為；較大粒徑和長徑比的納米絲絕大部分晶粒保持了有序結(jié)構(gòu)，斷裂應變在39％～76％之間；中等長度粒徑(3.90和4.92nm)的納米絲，應力隨應變增加呈現(xiàn)出“之”字形的上升和下降。多晶Mo納米絲新相形核和斷裂都是發(fā)生在晶界表明多晶納米絲的形變主要由晶界效應控制。納米絲的拉伸強度和斷裂應變隨應變率的增加而增加，當應變率到達5.0％ ps-1，納米絲呈現(xiàn)出超塑性行為。拉伸過程中的應力也導致了多晶納米絲中的相變

6、，第一次結(jié)構(gòu)相變?yōu)椋篵cc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為others結(jié)構(gòu)，然后others結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為fcc結(jié)構(gòu)或hcp結(jié)構(gòu)；第二次結(jié)構(gòu)相變?yōu)椋篺cc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為others結(jié)構(gòu)，然后others結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為bcc結(jié)構(gòu)或hcp結(jié)構(gòu)。類似于多晶納米絲的斷裂和相變也發(fā)生在單晶納米絲中，但單晶納米絲中相交會貫穿整個納米絲。與多晶納米絲不一樣，單晶納米絲的形變主要受表面效應控制。根據(jù)徑向分布函數(shù)和平均原子能量曲線我們得到了單晶納米絲受應力驅(qū)動的能量控制相變機制。

7、　　 采用準靜態(tài)應變方式研究了FeAl合金納米絲的單軸拉伸力學特性。模擬結(jié)果表明FeAl納米絲的拉伸形變過程表現(xiàn)為四個典型的特征區(qū)域：B2相彈塑性形變階段，B2相到BCT相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變階段，BCT相的線性形變和斷裂階段。FeAl納米絲在高應變率下以塑性方式斷裂，在低應變率下以脆性方式斷裂，斷裂應變隨應變率的增大而增大。FeAl納米絲會隨溫度的升高發(fā)生由脆性斷裂向塑性斷裂的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度在大約1150K，斷裂應變低于此溫度時隨溫度升高而減