納米晶材料斷裂和耦合晶界運(yùn)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、由于具有諸多優(yōu)異的特性，晶粒尺寸處于納米量級(jí)的納米晶材料近年來(lái)引起廣泛的關(guān)注，然而較差的斷裂韌性制約了它的工程應(yīng)用。眾所周知，與粗晶材料由晶內(nèi)位錯(cuò)主導(dǎo)的塑性變形機(jī)制不同，納米晶材料的塑性變形由晶界相關(guān)機(jī)制主導(dǎo)。研究不同加載條件下納米晶材料的開裂和耦合晶界運(yùn)動(dòng)，對(duì)于深化納米晶材料增韌和變形機(jī)理的認(rèn)知、推動(dòng)納米晶材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法，圍繞梯度納米晶材料的開裂行為，以及單調(diào)和循環(huán)剪切加載條

2、件下納米晶的耦合晶界運(yùn)動(dòng)響應(yīng)開展了研究，取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果如下：
　　（1）研究了具有不同晶粒尺寸梯度分布的納米晶材料在單調(diào)拉伸載荷作用下的裂紋擴(kuò)展行為。分析發(fā)現(xiàn)，具有較大晶粒尺寸梯度的納米晶試樣不僅可以調(diào)動(dòng)更多的原子來(lái)抵抗開裂，而且其開裂模式也會(huì)從沿晶開裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚ч_裂，因此具有較強(qiáng)的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。與之相反，具有均勻分布的晶粒尺寸和較小晶粒尺寸梯度的納米晶材料表現(xiàn)出沿晶開裂行為。通過(guò)原子構(gòu)型演化觀察、Schmid因子

3、計(jì)算、缺陷原子比例分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)、能量耗散分析和應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，分析了開裂現(xiàn)象背后的內(nèi)在物理機(jī)制。
　?。?）模擬了單調(diào)剪切載荷作用下納米晶的耦合晶界運(yùn)動(dòng)。與雙晶中耦合晶界運(yùn)動(dòng)不同，納米晶中耦合晶界運(yùn)動(dòng)由于受到三叉晶界的釘扎作用而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在晶界運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，納米晶中的有序晶界結(jié)構(gòu)通過(guò)基本結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)變的方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)。耦合晶界運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)組成部分法向遷移和切向運(yùn)動(dòng)，在變形過(guò)程中同時(shí)萌生和飽和。雖然晶界法向遷移和晶界切向運(yùn)動(dòng)都會(huì)

4、受到晶粒尺寸的顯著影響，但是耦合因子受晶粒尺寸的影響卻很小。此外，還分析了材料和溫度對(duì)納米晶耦合晶界運(yùn)動(dòng)的影響。
　?。?）研究了受循環(huán)載荷作用的納米晶的變形行為和晶界響應(yīng)，在受循環(huán)剪切載荷作用的納米晶中首次觀察到晶界遷移滯回現(xiàn)象。在循環(huán)載荷作用下，晶界中間段的基本結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)變是可逆的，而晶界兩端從三叉晶界開始的有序結(jié)構(gòu)單元卻不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)。無(wú)序晶界的長(zhǎng)度和殘余晶界遷移位移隨著循環(huán)應(yīng)變變程的增大而增大。當(dāng)整個(gè)晶界都轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)

5、序結(jié)構(gòu)時(shí)，晶界遷移滯回現(xiàn)象會(huì)隨之消失。因此循環(huán)載荷對(duì)晶界遷移行為的影響有著累積的疲勞效應(yīng)。除晶界運(yùn)動(dòng)以外，在卸載過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)回撤和由局部應(yīng)力反向引起的位錯(cuò)萌生。
　　（4）將最大應(yīng)變和應(yīng)變幅作為表征循環(huán)載荷特性的兩個(gè)參量，分析了它們對(duì)納米晶中耦合晶界運(yùn)動(dòng)的影響。當(dāng)應(yīng)變幅固定時(shí)，無(wú)序晶界的長(zhǎng)度隨著剪切應(yīng)變的增大而單調(diào)增長(zhǎng)，并最終導(dǎo)致晶界遷移滯回行為的消失。當(dāng)最大應(yīng)變固定在較小的應(yīng)變時(shí)，晶界脫節(jié)的萌生、運(yùn)動(dòng)和塞積幾乎不會(huì)受到位錯(cuò)