密排六方金屬塑性變形機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、隨著制造加工工藝的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米機(jī)械器件應(yīng)用越來越廣泛，其力學(xué)行為表現(xiàn)出不同于宏觀力學(xué)的性能和規(guī)律。通常，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及變形機(jī)制主導(dǎo)其力學(xué)性能及行為。因此，迫切需求從微觀領(lǐng)域了解材料變形的內(nèi)在機(jī)理。目前，尚沒有成熟的理論框架來描述納米尺度下材料的力學(xué)行為。由于材料制備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)等限制，僅通過實(shí)驗(yàn)手段也并不能徹底地認(rèn)識(shí)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)在機(jī)制。分子動(dòng)力學(xué)模擬作為理論研究與實(shí)驗(yàn)觀察的橋梁，是納米尺度力學(xué)研究中的重要工具

2、?？勺粉櫽嘘P(guān)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，反映微結(jié)構(gòu)的演化過程，并揭示材料形變的內(nèi)在機(jī)理。本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究密排六方金屬在塑性階段的微結(jié)構(gòu)演化過程，重點(diǎn)分析討論各類缺陷在材料塑性變形中的形核生長(zhǎng)機(jī)制與行為。全文主要工作及成果總結(jié)如下:
　　(1)結(jié)合廣義層錯(cuò)能理論計(jì)算及分子動(dòng)力學(xué)壓縮模擬研究討論了密排六方金屬鎂中錐面位錯(cuò)的分解機(jī)理。首先，通過計(jì)算{10(1)1}面及相鄰交替面{30(3)2}及{30(3)4}的廣義層錯(cuò)能，得到

3、了{(lán)10(1)1}<11(2)3>錐面位錯(cuò)徑直滑移路徑的能量以及可能的位錯(cuò)分解路徑。同時(shí)，通過對(duì)[(1)2(1)0]方向?yàn)橹芷谶吔绲亩S鎂單晶模型的c軸壓縮模擬，得到了{(lán)10(1)1}<11(2)3>錐面位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)分解路徑。與理論分析路徑對(duì)比，結(jié)果相符。此外，{11(2)2}面的廣義層錯(cuò)能計(jì)算結(jié)果顯示，徑直的方向是全位錯(cuò)滑移的最小能量路徑，沒有其他能量更低的分解路徑。然而，在[(1)010]方向?yàn)橹芷谶吔绲亩S鎂單晶模型c軸壓

4、縮模擬中觀察到了兩種{11(2)2}面錐面位錯(cuò)形式。其中一種形式與廣義層錯(cuò)能結(jié)果基本相符，另一種是由兩個(gè)相鄰{11(2)2}面上的部分位錯(cuò)共同作用實(shí)現(xiàn)。從廣義層錯(cuò)能曲面分析可知，實(shí)現(xiàn)部分位錯(cuò)所需能量比全位錯(cuò)路徑中的不穩(wěn)定堆垛能要低。
　　(2)通過對(duì)密排六方金屬鎂單晶納米柱不同取向拉伸和壓縮的分子動(dòng)力學(xué)模擬，總結(jié)出不同的初始塑性變形機(jī)制，主要包括柱面滑移、基面滑移、錐面滑移及各種形式的晶體再取向。其中，重點(diǎn)研

8、體向面心立方(fcc)晶體相變的內(nèi)在機(jī)理及影響因素。從[(1)010]軸向拉伸的塑性變形結(jié)果中可知，hcp-fcc相變是除了柱面位錯(cuò)外另一個(gè)重要的塑性變形行為。該相變由多個(gè)間隔部分柱面位錯(cuò)堆垛形成。其相界的對(duì)應(yīng)面及對(duì)應(yīng)方向?yàn)閧10(1)0}hcp‖{110}fcc和<0001>hcp‖<001>fcc。本章著重分析了影響該相變形成的兩個(gè)因素:表面效應(yīng)和取向效應(yīng)。結(jié)果表明，該相變只有在{11(2)2}面為外表面，同時(shí)沿～[(1)01

9、0]軸向加載時(shí)才會(huì)容易出現(xiàn)。從表面能角度來看，粗糙的{11(2)2}表面與相變后的最密排表面{111}間較大的表面能量差促使不穩(wěn)定界面向穩(wěn)定界面轉(zhuǎn)變。同時(shí)，該相變的形核不需要過大的柱面剪切力，因?yàn)檫^大的剪切力容易激發(fā)跟隨部分位錯(cuò)，導(dǎo)致柱面全位錯(cuò)的形核。
　　本文揭示了密排六方金屬鎂和鈦在納米尺度下的塑性變形機(jī)制，給出了位錯(cuò)分解、晶體再取向、晶界遷移、相變等多種演化行為的詳細(xì)分析。為提高材料強(qiáng)度和塑性的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，對(duì)材