纳米金属材料力学行为的准连续介质方法研究

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	纳米金属材料力学行为的准连续介质方法研究
	邵宇飞
学位类型	博士
导师	王绍青
	2010
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料物理与化学
关键词	纳米晶体材料准连续介质模拟力学行为
摘要	"多尺度模拟是计算机模拟的重要发展方向之一。尽管十余年来多尺度模拟方法已有很大发展，然而人们仍花费大量努力在方法的开发与完善上。作为诸多多尺度模拟方法中发展较早、相对比较成熟的一种，准连续介质方法在纳米金属力学行为方面已有一定的应用，但基本仅局限于单晶体的变形机理研究。而纳米金属晶体中界面行为以及晶界与位错间的相互作用对于材料力学行为有着重要影响，因此具有重要的研究意义。在本文的工作中，我们将准连续介质方法应用于纳米面心立方金属晶体界面相关的材料力学行为研究，得到结论如下：（1）首先检验了原子级局部应力计算方法在准连续介质模拟中的准确性。对于两种广泛使用的局部应力计算方法——粗粒化局部应力计算方法和Virial局部应力计算方法，粗粒化局部应力可以准确地反映出空间不均匀分布固体局部受力状态，并且可以准确应用于含有缺陷的固体的准连续介质模拟，Virial计算方法则有时会给出错误的局部应力状态分布。此外，由于准连续介质模型的准二维限制，在纳米压痕模拟中，准连续介质方法计算出的表面原子平均接触压力无法与实验上测得的材料实际硬度直接相比较，因而该方法无法直接估测Al和Cu的纳米硬度。（2）模拟了纳米多晶体Al的压痕过程。通过分析准连续介质模拟结果，我们观察到了五重对称变形孪晶的形成。根据粗粒化局部应力计算方法，我们得到了该五重孪晶形成过程中相应的原子级应力分布。我们的应力分析结果清楚地表明材料内部高局部应力位置分布的变化是五重对称变形孪晶形成的重要条件。我们还发现一段低指数非对称晶界在该孪晶的形成过程中起到了重要作用。它不仅作为一道屏障将高静水应力局限在压头下方几个晶粒内，阻止静水应力向晶体内部扩展，而且会改变位错运动方向，造成位错反射，从而形成了该五重对称变形孪晶中的第一条孪晶界。该模拟结果可对近期电镜实验观察到的纳米金属中五次对称变形孪晶的形成原因给出较合理的解释。前期他人采用纯双晶模型对这类特殊晶界已经进行了深入研究，然而却没有与具体的实验现象相关联。我们的模拟说明了以这种特殊晶界为代表的微观结构在材料力学行为中的重要意义。（3）研究了纳米多晶体Ni本征断裂行为。在纳米多晶体Ni内部裂纹扩展过程的QC模拟中，我们观察到了裂纹尖端的应力场可以导致晶界分解、层错和变形孪晶的形成等塑性形变。裂纹扩展后层错和变形孪晶的数目要明显多于扩展前。通过能量曲线计算能量释放率，并和相应的理论预测值比较，我们发现理论预测值仅相当于能量曲线结果的40%。多于理论预测值的那部分能量，被用于新生成的层错、变形孪晶、以及其它承载塑性变形的缺陷。我们还注意到，在距离裂纹尖端越远的位置，变形孪晶的数目越少；在裂纹尖端附近相同距离处，层错要远多于变形孪晶。这反映了局部应力的变化以及广义平面层错能对变形孪晶的影响。最后我们计算了裂纹附近区域原子级局部应力的分布。计算的结果表明，裂纹前端晶界处的细微孔洞附近区域承受强烈的张应力并促使裂纹沿其扩展。一系列模拟和实验结果表明，这种晶界主导的裂纹萌生和扩展机制可能会导致材料在经过有限的塑性应变之后发生脆性断裂，从而限制了其在工业上的实际应用。（4）在以上工作基础上进一步研究了提高材料拉伸塑性的微观机制。两种不同的Ni嵌入原子势函数被采用，以此分析广义平面层错能的降低对纳米晶体Ni中裂纹传播过程的影响。最有意义的发现是断裂行为的脆-韧性转变。对于可以精确预测出层错能等材料性质的势函数，材料内发生晶界主导的脆性断裂过程。晶界分解也许是纳米晶体Ni的固有变形机制之一，从而导致了有限的拉伸塑性。然而对于预测出更低广义平面层错能的势函数，材料内出现标志着韧性断裂行为的裂纹尖端钝化现象。随着广义平面层错能的降低，裂纹尖端附近区域内位错活动程度加剧，因而该区域内晶界附近原子级静水应力较为平缓。实验结果已经表明层错能的降低可以提高纳米晶体的拉伸塑性，我们的模拟表明非稳堆垛层错能的降低可以强化晶界发射位错能力，从而造成材料断裂行为的脆-韧性转变，是促进材料塑性提高的重要因素。我们的研究工作为材料变形机制的深入理解和力学性能的优化设计提供了有益的参考，同时丰富了多尺度模拟的研究内容。"
其他摘要	Multiscale modeling is one of the most important aspects of computational material science. Although multicale modeling becomes more and more prosperous in recent years, much attention is still paid on the development and improvement of the methods. As one of the muture multicale modeling methods with long history, the quasicontinuum method has been used in the research of deformation mechanisms of single crystal metals in nanoscale in some cases. However，There is little application in the investigation of mechanical hehavior of nanocrystalline metals. It is worthwhile to study the the grain boundary behavior and the interaction between grain boundary and dislocation, since they are very important in the mechanical behavior of nanocrystalline materials. In this work, the grain boundary mediated mechanical behavior of nanocrystalline face-centred cubic metals are investigated by the quasicontinuum method. Main results are as follows:
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64195
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	邵宇飞. 纳米金属材料力学行为的准连续介质方法研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2010.