密排六方金屬塑性變形機制的分子動力學(xué)研究.pdf

1、隨著制造加工工藝的進步及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米機械器件應(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。由于材料制備及實驗技術(shù)等限制，僅通過實驗手段也并不能徹底地認(rèn)識材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)在機制。分子動力學(xué)模擬作為理論研究與實驗觀察的橋梁，是納米尺度力學(xué)研究中的重要工具

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

3、了{(lán)10(1)1}<11(2)3>錐面位錯徑直滑移路徑的能量以及可能的位錯分解路徑。同時，通過對[(1)2(1)0]方向為周期邊界的二維鎂單晶模型的c軸壓縮模擬，得到了{(lán)10(1)1}<11(2)3>錐面位錯的動態(tài)分解路徑。與理論分析路徑對比，結(jié)果相符。此外，{11(2)2}面的廣義層錯能計算結(jié)果顯示，徑直的方向是全位錯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]方向為周期邊界的二維鎂單晶模型c軸壓

4、縮模擬中觀察到了兩種{11(2)2}面錐面位錯形式。其中一種形式與廣義層錯能結(jié)果基本相符，另一種是由兩個相鄰{11(2)2}面上的部分位錯共同作用實現(xiàn)。從廣義層錯能曲面分析可知，實現(xiàn)部分位錯所需能量比全位錯路徑中的不穩(wěn)定堆垛能要低。
　　(2)通過對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力學(xué)模擬，總結(jié)出不同的初始塑性變形機制，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，重點研

8、體向面心立方(fcc)晶體相變的內(nèi)在機理及影響因素。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外另一個重要的塑性變形行為。該相變由多個間隔部分柱面位錯堆垛形成。其相界的對應(yīng)面及對應(yīng)方向為{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，同時沿～[(1)01

9、0]軸向加載時才會容易出現(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，該相變的形核不需要過大的柱面剪切力，因為過大的剪切力容易激發(fā)跟隨部分位錯，導(dǎo)致柱面全位錯的形核。
　　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制，給出了位錯分解、晶體再取向、晶界遷移、相變等多種演化行為的詳細(xì)分析。為提高材料強度和塑性的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，對材