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

1、本文運(yùn)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(xué)性能和力學(xué)行為，如楊氏模量、形變機(jī)制、相變、斷裂方式等。得到的結(jié)果對(duì)納米結(jié)構(gòu)材料在化學(xué)生物傳感器、光電器件和微型機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。
　　 本文首先簡(jiǎn)要地介紹了研究背景和當(dāng)前有關(guān)納米晶體材料和一維納米絲材料力學(xué)性能的研究進(jìn)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(dòng)力學(xué)方法和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。

2、
　　 利用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)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(zhǎng)程有序度；其結(jié)構(gòu)基本與平均晶粒尺寸無(wú)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(guò)程主要由晶界原子間的相對(duì)滑動(dòng)和晶粒旋轉(zhuǎn)完成。
　　 利用連續(xù)應(yīng)變方法研究了Mo納米晶體的基本力學(xué)性能、形變機(jī)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)

3、度和流變應(yīng)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?qiáng)度和流變應(yīng)力隨溫度的升高急劇的減小。Mo納米晶體在300K時(shí)的形變機(jī)制既包括晶界原子間的相對(duì)滑動(dòng)和晶粒旋轉(zhuǎn)，還包括位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，晶間的斷裂，此外孿晶的形成是其第二形變機(jī)制。由于在局部發(fā)生應(yīng)力引起的相變，拉伸過(guò)程中在納米晶Mo中出現(xiàn)了fcc和hcp結(jié)構(gòu)。應(yīng)變率的增加會(huì)延遲fcc結(jié)構(gòu)的形成，使之出現(xiàn)在更大的應(yīng)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(shí)

4、的斷裂是微孔洞形成的納米裂紋在晶界間擴(kuò)展造成的脆性斷裂，斷裂應(yīng)變隨晶粒尺寸的減小而增大；300K時(shí)的斷裂是孔洞間局域頸縮造成的塑性斷裂。
　　 采用連續(xù)應(yīng)變方式研究了Mo多晶納米絲在單軸拉伸作用下的力學(xué)特性和相變，并與單晶Mo納米絲進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)多晶Mo納米絲通過(guò)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(lèi)似于單晶納米絲。并且晶粒尺寸和長(zhǎng)徑比嚴(yán)重影響納米絲的形變行為和斷裂。當(dāng)晶粒數(shù)一定時(shí)，較小粒徑或長(zhǎng)徑比的納米絲

5、由于原子位置的無(wú)序重排呈現(xiàn)超塑性行為；較大粒徑和長(zhǎng)徑比的納米絲絕大部分晶粒保持了有序結(jié)構(gòu)，斷裂應(yīng)變?cè)?9％～76％之間；中等長(zhǎng)度粒徑(3.90和4.92nm)的納米絲，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾映尸F(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(yīng)控制。納米絲的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率的增加而增加，當(dāng)應(yīng)變率到達(dá)5.0％ ps-1，納米絲呈現(xiàn)出超塑性行為。拉伸過(guò)程中的應(yīng)力也導(dǎo)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(lèi)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(huì)貫穿整個(gè)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(yīng)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(yīng)力驅(qū)動(dòng)的能量控制相變機(jī)制。

7、　　 采用準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變方式研究了FeAl合金納米絲的單軸拉伸力學(xué)特性。模擬結(jié)果表明FeAl納米絲的拉伸形變過(guò)程表現(xiàn)為四個(gè)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(yīng)變率下以塑性方式斷裂，在低應(yīng)變率下以脆性方式斷裂，斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率的增大而增大。FeAl納米絲會(huì)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(yīng)變低于此溫度時(shí)隨溫度升高而減