关键词：
金属纳米晶体
分子动力学模拟
单轴拉伸
力学性能
变形机制
摘要：
金属纳米晶体与传统金属相比具有独特的力学性能,例如金属纳米晶体的强度一般要远高于同种材料的强度,因此在很多领域都有潜在的应用。然而,由于材料制备方法和测试技术的不足,目前在金属纳米晶体的研究中,还存在诸多问题,例如,关于晶粒的尺寸减小到20 nm以下会出现反Hall-Petch关系,就颇有争议。纳米晶体金属和薄膜在制备中不可避免地会引入空位缺陷,同时最近的研究特意制备多孔材料以减轻材料的质量,然后利用其纳米多孔特性应用于其它领域,如催化等,这些潜在的应用引入了一些新的研究课题,其中,在力学方面,一个基本的问题就是空位缺陷与力学性能的关系。此外,纳米晶体结构的断裂极限以及退火对纳米晶体材料力学性能的影响等问题也亟待解决。随着计算技术的提高,分子动力学模拟可以探索百万以上原子体系的结构演变及其力热性质,特别是与晶界相关的力学问题,为弥补实验研究上的不足,提供了一种重要的分析手段。本文以上面提到的金属纳米材料中存在的重要的基本问题为研究动机,以金纳米晶体结构(包括块体和薄膜)为典型模型,通过分子动力学模拟研究在单轴拉伸下,其晶粒尺寸、应变率、薄膜宽度、纳米孔和退火温度对其力学性能和变形机制的影响。主要取得以下创新性结果:1.发现在Hall-Petch区和反Hall-Petch区之间存在混合区。通过模拟不同晶粒尺寸(2.65 nm-18 nm)金纳米晶体的拉伸变形过程,发现晶粒尺寸在10 nm-18 nm之间,其流变应力没有明显变化,并且在应变为14%时晶界原子分数和堆垛层错原子分数几乎相等,位错活动和晶界滑移相互竞争控制着塑性变形,我们称此区间为混合区。对于晶粒尺寸在5 nm-10 nm之间,当晶粒尺寸增大时,样品的流变应力会快速增大,晶界原子分数比堆垛层错原子分数大,晶界滑移是主要的塑性变形机制,此区间被认为是反Hall-Petch区。因此,在通常的Hall-Petch区到反Hall-Petch区之间,存在一个混合区,在该区,流变应力不随晶粒尺寸明显变化。这可以解释早期理论模拟提出的反Hall-Petch区的存在和实验上没有观测到其存在的这一矛盾现象。2.发现金纳米晶体薄膜宽度为130 nm时失效应变最大,其失效应变可高达96.1%。通过分子动力学模拟研究了不同宽度纳米晶体薄膜的力学行为。通过分析薄膜宽度与失效应变的关系发现,当金纳米晶体薄膜宽度小于80 nm时,其失效应变随着宽度的减小而减小,断裂是由晶界滑动引起颈缩所致,并伴随着堆垛层错运动。当样品宽度大于130 nm时,其失效应变随纳米晶体薄膜宽度增大而缓慢减小,其应力集中和局部变薄可以促进形成剪切带。当样品宽度在80 nm到130 nm之间时,它们具有良好的延展性和较大的失效应变,我们发现宽度为130 nm纳米晶体薄膜的失效应变最大,其最大失效应变超过96.1%。3.发现金纳米晶体多孔材料的力学规律和变形机制在相对质量密度为94%两侧是不同的。通过模拟,研究了金纳米晶体闭孔材料在拉伸过程中的力学性能,统计了相对质量密度与力学性能的关系。发现闭孔材料的杨氏模量随相对质量密度的变化规律类似于开孔材料的变化规律,但是闭孔材料的强度比开孔材料的强度大。对于孔仅存在于晶界附近的结构来说,相对质量密度为0.94是材料杨氏模量、最大应力、流变应力和变形机制的转折点。当相对质量密度超过0.94时,晶界阻止了位错运动,从而导致材料的流变应力增强,而纳米孔的存在降低了这种位错相互作用效果,从而导致流变应力的减小。当相对质量密度小于0.94时,纳米孔主要控制了变形机制,这和开孔材料的变形机制是一致的,并且纳米晶体闭孔材料的力学性能符合修正后的Gibson-Ashby关系。4.发现小晶粒尺寸的金纳米晶体的熔点不变。通过分子动力学模拟,计算了不同晶粒尺寸的金纳米晶体的熔点,分析了熔点和晶粒尺寸之间的关系。我们从熔点和晶粒尺寸的关系上发现,当晶粒尺寸大于7.7 nm时,其熔点与晶粒尺寸的倒数之间呈线性关系,当晶粒尺寸减小到7.7 nm时,样品的熔点和晶粒尺寸的关系开始偏离线性关系,而当晶粒尺寸小于4 nm时,样品的熔点几乎是一个常数,约为1070 K。并且我们通过分析晶粒尺寸小于4 nm金纳米晶体的晶粒大小和晶界原子分数随温度升高的变化过程,发现小晶粒尺寸的金纳米晶体熔点保持不变的原因是晶粒发生了生长现象。
欢迎来到三峡大学图书馆！
