纳米晶铜单向拉伸变形的分子动力学模拟
纳米管拉伸的分子动力学模拟
纳米管拉伸的分子动力学模拟孙欢【摘要】致力于对纳米单晶铝杆的拉伸过程进行仿真模拟研究.应用了分子动力学方法,所用势函数为紧束缚TB势函数,时间积分为Verlet速度算法.通过矢量叠加,得到系统的总能量及受力情况,进而通过系统达平衡后进行位移加载的方法,定性分析纳米尺度金属的拉伸特性,通过精确度分析,最终得出其相应的应力应变曲线与形状在宏观上大体一致的结论.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2013(025)002【总页数】3页(P25-27)【关键词】铝纳米杆;分子动力学;Verlet速度算法;应力一应变【作者】孙欢【作者单位】陕西师范大学数学与信息科学学院,陕西西安710062【正文语种】中文【中图分类】O795纳米技术是在纳米尺度［1，2］0．1～100nm 之间上研究物质（原子、分子）的特性和相互作用的技术．某些普通材料成为纳米量级后就会具有防垢、韧性好、耐高温、耐腐蚀等特殊的功能．这就可能改变相关产品的设计和制造方式，实现生产方式的飞跃［3］．分子动力学方法的模拟结果是否精确很大一部分在于原子间相互作用势函数的选取．我们所选用的势函数确定为紧束缚TB势并假设满足以下条件［4］：（1）粒子的运动与牛顿力学运动定律一致；（2）粒子之间的相互作用满足叠加原理．以上条件没有考虑量子效应与多体作用的因素，并不完全符合真实的物理系统，所以这是一种近似计算．假设N为系统的原子数，第i个原子的质量是mi，位置坐标向量为ri，速度为vi ＝，加速度为受到的作用力为Fi，原子i与原子j之间的距离为原子j对原子i的作用力为fij，原子i与原子j相互作用势能为φ（rij）．系统的所有的物理量都是随时间变化的，即A＝A（t），控制方程为由此建立一个线性的微分方程组，给定初始位置和速度，可以得到任意时刻系统中所有原子的位置ri（t）和速度vi（t），进而可得到系统的总动能［5］，由于势函数已知，故可得到系统的总能量．进行位移加载可导致各原子受力的变化，也可起到拉伸的效果．施加应力求应变与施加位移求应力的道理是一样的．1 原子模型分析1．1 模型的建立分子动力学模拟分为6个步骤：（1）势函数的选取纳米铝杆初始结构模型按几何方法生成，原子按理想面心结构分布，X、Y坐标轴分别对应面心立方的［001］、［001］晶向．尺寸为6a0×16a0，其中a0 为铝的晶格常数（4．050nm），X端为自由端，Y向采用周期性边界条件．原子总数为132个．我们选用函数表达式［6］：对于铝而言，以上参数中（2）初始条件的确定运动方程的求解要求给出粒子的初始位移和初始速度，而在一般情况下很难知道系统的初始条件，尽管给出的初始条件可以使得系统更快地达到平衡．即便如此，在选定的模拟时间足够长的情况下，就可以忽略初始条件［7］了．常用的初始条件［8］可以选择为：①令初始位置在差分划分网格的格子上，初始速度则从玻尔兹曼分布随机抽样得到；②令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度为0；③令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度也是从玻尔兹曼分布随机抽样得到．实验中由于铝金属的原子分布结构是面心立方结构，原子间距已知，则可以利用几何关系确定各个原子的初始位置，然后将各原子初始速度清零．（3）确定步长可计算得到在第n＋1步时所有的粒子所处的空间位移．计算在第n＋1步［9］时所有粒子的速度为动能和速度标度因子为计算每个时间步系统的总势能U，考察系统达到平衡所需要的时间．在分子动力学模拟过程中，如何确定所用的时间步长是个十分关键的问题，它直接决定了模拟过程所需要的时间．当然，步长越小，最后的误差也就越小，但是对系统进行模拟的驰豫时间相应也就越长了．因此要根据实际选择步长，我们选用时间步长为0．5fs．（4）计算n＋1步粒子的速度计算将速度乘以标度因子的值，并让该值作为下一次计算时第n＋1步粒子的速度．（5）重复计算直至系统达到平衡返回第三步，开始第n＋2步的模拟计算．重复200次，一直到系统达到平衡．（6）对系统进行位移加载我们选取的是对端面直接施加位移的方法，由此可以得到关于纳米单晶铝杆拉伸模拟的应力—应变关系曲线，即进行位移加载时，固定最下面两排原子，对最上面的两排原子进行位移加载，每次加载长度为第二排至倒数第二排原子间距的0．000 5倍．每次加载后使系统平衡100步，让系统经历一个准静态加载的过程．每次加载并让系统平衡后，计算系统所受的力．应力—应变关系是按如下方法得出的：对应于每个载荷步，我们用所施加的总载荷除以横截面积，得到对应于这个载荷步的应力．实际上它只是横截面上的平均应力，对应于这个载荷步的应变也是平均应变．1．2 计算结果与分析（1）原子的分布见图1．图1 原子分布该模型图与铝原子的面心立方结构相一致，说明模型的正确性．由此可得各原子的初始位移．（2）循环次数与系统总能量的关系曲线见图2．图2 循环次数与系统总能量的关系曲线从图2中容易看出势能变化曲线随着循环次数的增加而减小，最终趋于平稳，即在200步左右，系统已基本上达到平衡．（3）进行位移加载时，加载次数与系统受力的关系曲线见图3［10］．图3 加载次数与系统受力的关系曲线由于加载是位移加载，而原子量级的长度单位为纳米，即10－9 m．又每次加载长度为第二排至倒数第二排原子间距的0．000 5倍，由图1加载长度为20×0．000 5＝0．01纳米级，即10－11 m 单位量级．图中力与加载次数的关系曲线大致为一斜率为正的直线，表明系统受力与加载次数呈正相关关系．由于每次进行的是位移加载，此图也可以说明应力—应变的变化曲线也为这样的直线，斜率为杨氏模量．这与非纳米状态下的铝的拉伸性质相符合．1．3 精确度分析图中纵坐标的单位取自参考文献［10］中图6．易知铝金属的杨氏模量大致为72GPa（不考虑温度影响）．我们简单对图3的斜率数值计算检测模拟的精确度：取图中（5，1．985），（15，2．062），（25，2．14）三点计算直线斜率（因为两点确定一条直线，这里取3个间距均衡的点）：则斜率的平均值为相对误差为由于在精确度分析中具体的运算没有按照求杨氏模量的公式严格导出，例如截面积大小．只在一维尺度数量级上进行了拉伸程度分析，可以看到误差较大．这里的问题只与计算方法相关，与建立的动力学模型没有太大关联，可以看到此模型简单易求，是有一定的优点的．2 结论实验采用了分子动力学的方法模拟了纳米单晶铝杆的拉伸实验．在模拟中选择用紧束缚TB势函数作为原子间的势函数．经过模拟，得出了铝纳米杆相应的应力—应变曲线，可以验证其曲线与其实际宏观条件下的形状基本一致［11］，可见此方法得到了良好的实际效果．【相关文献】［1］张媛媛，张文飞，王鹏．不同温度下纳米单晶铜杆拉伸的分子动力学模拟［J］．兵器材料科学与工程，2007，30（4）：52－57．［2］文玉华，周富信，刘曰武，等．纳米晶铜单向拉伸变形的分子动力学模拟［J］．力学学报，2002，34（1）：29－36．［3］文玉华，朱如曾，周富信，等．分子动力学模拟的主要技术［J］．力学进展，2003，33（1）：65．［4］李世影．Ni纳米团簇热力学性质和纳米碳管的动力学性质研究［D］．扬州：扬州大学，2008．［5］郭晓光．单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真研究［D］．大连：大连理工大学，2008．［6］宋海洋，查新未．碳纳米管／金复合材料拉伸力学性能的分子动力学模拟［J］．稀有金属材料与工程，2008，37（7）：1 217－1 220．［7］李作祥．煤中甲烷吸附与解吸的分子动力学模拟可行性分析［J］．矿业快报，2008，15（6）：51－53．［8］曹鸣．硫酸钡晶体压电常数的分子动力学模拟［D］．武汉：华中科技大学，2007．［9］魏育新．金原子纳米团簇反常尺寸效应的分子动力学模拟［D］．重庆：重庆大学，2002．［10］宋海洋，查新未．碳纳米管轴向压缩行为的分子动力学模拟［J］．微纳电子技术，2007，37：246－253．［11］付称心，陈云飞．硅纳米杆拉伸的分子动力学模拟［J］．传感技术学报，2006，19（5）：1 697－1 699．。
含微裂纹纳米孪晶铜塑性变形的分子动力学模拟研究
含微裂纹纳米孪晶铜塑性变形的分子动力学模拟研究
与传统材料及一般的纳米晶体材料相比,纳米孪晶材料具有众多优越的力学性能,其受到越来越广泛的关注。
纳米孪晶材料的性能由其微观结构及变形特征决定,研究纳米孪晶材料的微观力学行为对于了解材料的宏观特性及相关制备具有重要的指导意义。
本文采用分子动力学模拟方法,研究了含裂纹纳米孪晶材料在拉伸及剪切作用下的塑性变形机理,考察了裂纹长度、温度及加载率对材料拉伸及剪切性质的影响,主要内容包括：本文编制了位错Burgers矢量及位错密度的分析与可视化软件,并研究了含裂纹块状孪晶铜材料的拉伸变形行为,发现裂纹尖端的应力集
中促使了不全位错的成核,预示着塑性变形的开始,变形后期裂纹则会成为位错
湮灭区。
同时,裂纹与孪晶界前期的相互作用,决定了材料的屈服强度。
位错在孪晶界处的塞积、积聚以及转化控制了材料的塑性强化以及软化阶段。
位错与位错及位错与孪晶界之间的相互作用控制了材料的塑性流动阶段。
研究测得孪晶界处的位错塞积区宽度约为5.6-8nm,与以往实验及模拟结果
吻合的较好。
强化阶段的应力与位错密度满足Taylor关系。
此外,本文还研究了层状含裂纹孪晶铜材料的拉伸及剪切变形,考察了不同
受载形式下各个变量参数对材料力学性能的影响。
模拟结果表明,在拉伸及剪切载荷作用下,裂纹长度的增加会促进不全位错的成核,温度的增加会提高原子的
热活化能,两者都会造成材料的屈服强度降低,而加载率对材料屈服强度的影响
则呈现相反的趋势。
此外屈服应力与裂纹长度及加载率之间的变化关系是非线性的,而与温度的变化关系是近似线性的。
γ-TiAl单晶纳米杆拉伸变形的分子动力学研究的开题报告
γ-TiAl单晶纳米杆拉伸变形的分子动力学研究的开题报告开题报告: γ-TiAl单晶纳米杆拉伸变形的分子动力学研究一、研究背景与意义随着现代制造技术的不断发展，许多新型材料在工业应用中得到了广泛的使用。
γ-TiAl是一种优良的高温材料，具有低密度、高特性功率、优异的耐热、抗氧化等属性，已被广泛应用于航空航天、能源等领域中。
然而，在高温和高应力环境下，γ-TiAl 材料容易发生变形和断裂，限制了其在工业应用中的进一步发展。
因此，研究γ-TiAl单晶纳米杆的变形机理对于进一步提高材料的性能和应用价值具有重要的意义。
分子动力学方法可以有效地描述材料的微观结构和特性，适用于材料的力学性质研究中。
二、研究内容本研究的主要内容是使用分子动力学方法研究γ-TiAl单晶纳米杆的拉伸变形机理。
具体研究内容如下：1. 构建γ-TiAl单晶纳米杆的分子动力学模型。
2. 采用分子动力学模拟方法，模拟γ-TiAl单晶纳米杆的拉伸过程，探究其力学性质，并分析拉伸速率、拉伸轴向和样品几何形状等因素对拉伸变形的影响。
3. 通过分析杆内原子的动力学行为和应力分布，探索γ-TiAl单晶纳米杆的变形机理。
4. 基于模拟结果，提出改进γ-TiAl材料的方式和方法。
三、研究计划本研究计划按以下步骤进行：1. 收集γ-TiAl材料相关的文献资料，对其物理化学性质、微观结构及变形机理进行系统梳理。
2. 构建γ-TiAl单晶纳米杆分子动力学模型，并对模型进行稳定性和可靠性测试。
根据材料的物理化学性质和采用的分子动力学方法修正和调整相应的参数。
3. 利用LAMMPS软件对γ-TiAl单晶纳米杆的拉伸过程进行模拟。
研究拉伸速率、拉伸轴向和样品几何形状等因素对拉伸变形的影响。
4. 基于模拟结果，分析γ-TiAl单晶纳米杆的变形机理，探索提高材料性能的途径。
5. 编写研究论文，汇总分析实验结果，探究γ-TiAl单晶纳米杆的力学性能、变形机理和应用前景，提出改进γ-TiAl材料的方式和方法。
纳米多孔γ-TiAl单晶力学性能的分子动力学模拟
纳米多孔γ-TiAl单晶力学性能的分子动力学模拟左迪【摘要】利用分子动力学模拟方法,对多孔γ-TiAl单晶沿[001]晶向拉伸时的力学性能进行了研究,发现温度的增加会降低多孔γ-TiAl单晶的力学性能,屈服应力与杨氏模量均随温度的增加呈现降低的趋势.在多孔γ-TiAl单晶发生屈服后,剪切位错环在孔洞表面形核,导致塑性变形的发生.随着应变的增加,形成具有密排六方结构的双原子层厚的堆垛层错.位错抽取算法计算显示多孔γ-TiAl单晶中的位错均为1/6<112> Shockley不全位错,且随着应变的增加,位错密度呈增加的趋势.【期刊名称】《有色金属加工》【年(卷),期】2017(046)004【总页数】5页(P20-24)【关键词】分子动力学模拟;γ-TiAl单晶;屈服应力;位错【作者】左迪【作者单位】天水师范学院土木工程学院,甘肃天水 741001【正文语种】中文【中图分类】TG146.2从 20 世纪 70 年代以来，轻质的高温结构材料就受到高度重视，而金属间化合物由于其原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键的共存性，使其能够同时兼顾金属的塑性和陶瓷的高温强度[1-3]。
γ-TiAl金属间化合物就是典型代表，其体积质量不到镍基合金的50%，具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700 ℃～1000 ℃，成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域优秀的候选高温结构材料之一，有望用于喷气发动机和涡轮等航空航天、汽车工业的耐高温部件以及超高速飞行器的翼、壳体等，具有重要的工程化应用潜力[4]。
但在现场室温环境时的钛铝合金由于材料自身不均匀、微裂纹或者环境腐蚀等因素影响使得其脆性较大，延展性较小，在拉伸试验过程中延伸率往往不足1%即会断裂，远小于理论值，机械加工非常困难，致使其难以在工厂企业中批量生产[5]。
镍单晶纳米丝单向拉伸的分子动力学模拟
Abstract : Molecular dynamics method was used to obtain the relationship between atomic stress and strain , atom energy variation and arrangement , initiation and expansion of damage in monocrystalline nickel nano2wire under uniaxial tension without heat activation. Compared with continuum tension analysis , simulation result s show that atoms on model surfaces lead to initial atomic stress when no external loads exist , tension on free surfaces generates orthogonal and equivalent stresses which change along with the axial stress on cross sections of the wire ; dislocation , slip , atom stowage and steps result in the deformation of nano2wire ; atom cavities derive from departure of surface atoms from perfect state and their expansion explain geometrically the failure process of the model. The simulation revealed that the fracture strength of nanocrystalline nickel wire was 22. 96 GPa. Key words : nickel ; tension ; molecular dynamics ; embedded atom method
纳米单晶铜薄膜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟
纳米单晶铜薄膜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟
刘光勇
【期刊名称】《工程物理研究院科技年报》
【年(卷),期】2003(000)001
【摘要】固体的断裂过程贯通宏、细、微观多个层次尺度，涉及固体力学、材料科学与物理学等领域。
细观破坏过程的4种基本构元(孔洞、微裂纹、界面失效、变形局部化等)的起源和演化描述必须在微(纳)观尺度才能完全阐明。
从原子尺度运用分子动力学技术模拟纳米单晶铜薄膜中孔洞在拉伸作用下的力学行为和动态断裂过程。
【总页数】2页(P160-161)
【作者】刘光勇
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】O484.2
【相关文献】
1.单晶铜薄膜纳米压痕过程的分子动力学模拟 [J], 黄跃飞;张俊杰;周军晖
2.纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟 [J], 刘光勇
3.纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟 [J], 刘光勇
4.循环载荷下纳米铜/铝薄膜孔洞形核、\r生长及闭合的分子动力学模拟 [J], Liu Qiang;Guo Qiao-Neng;Qian Xiang-Fei;Wang Hai-Ning;Guo Rui-Lin;Xiao
Zhi-Jie;Pei Hai-Jiao
5.有孔纳米单晶铜薄膜拉伸断裂特性的分子动力学模拟 [J], 刘光勇
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基于分子动力学模拟的纳米材料力学性能研究
基于分子动力学模拟的纳米材料力学性能研究材料科学是一个繁杂而又重要的领域，纳米材料作为其中的一个重要分支，近年来备受关注。
纳米材料以其独特的尺度效应和界面效应，展示出了与传统材料不同的物性和力学性能。
为了更好地理解和掌握纳米材料的力学性能，科学家们采用了许多研究手段和方法。
其中，基于分子动力学模拟的研究成为了一种特别有用的工具。
分子动力学模拟是一种模拟材料结构和性能的计算方法，主要基于牛顿力学定律和物质内部的分子间力。
它通过数值解化学方程和力学方程，模拟材料在分子尺度上的结构演变和力学响应。
通过在计算机上构建材料模型、设置相应的势能函数和计算参数，可以模拟材料的结构、热力学性质、动力学行为等多个方面。
通过分子动力学模拟，科学家们可以研究纳米材料的结构演变过程。
例如，通过在计算机上构建纳米颗粒的模型，科学家们可以研究纳米颗粒在力的作用下的变形和断裂行为。
此外，分子动力学模拟还可以研究纳米材料的界面效应。
界面是纳米材料中的一个关键因素，它对纳米材料的力学性能起着重要的影响。
通过模拟材料的界面结构和分子间交互作用，科学家们可以研究界面的和力学响应，从而揭示纳米材料的力学性能。
分子动力学模拟在研究纳米材料力学性能时，还可以预测或解释实验观察不到的现象。
例如，在纳米材料的强度研究中，实验观察到纳米材料的强度比宏观材料要高。
通过分子动力学模拟可以模拟纳米材料在拉伸或扭曲过程中原子的运动轨迹和能量变化，从而解释纳米材料高强度的原因。
此外，分子动力学模拟还可以预测纳米材料的力学行为。
通过模拟不同尺寸、形状和结构的纳米材料，可以预测材料的力学性能，为材料设计和工程应用提供理论依据。
当然，分子动力学模拟也存在一定的局限性。
首先，分子动力学模拟的计算量较大，需要高性能计算机和长时间计算。
其次，模拟结果可能受到模型参数和计算方法的影响。
因此，在进行分子动力学模拟前，需要仔细选择适当的模型和参数，并对模拟结果进行验证和修正。
基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究共3篇
基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究共3篇基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究1基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究随着纳米技术的发展，纳米机械加工作为一种全新的制造技术逐渐成为研究热点。
晶体铜作为一种重要的材料在纳米机械加工领域也具有广泛的应用，因此对晶体铜纳米机械加工的表层形成机理进行深入研究具有重要意义。
分子动力学是一种能够模拟材料宏观性质和微观结构的计算方法，因其计算效率高、适用范围广等优点而被广泛运用于材料学领域。
本文基于分子动力学方法，采用LAMMPS软件模拟了晶体铜在纳米机械加工过程中的表层形成机理。
首先，建立了晶体铜原子模型，并对模型进行优化，以满足模拟所需的稳定性和准确性。
接着，采用NVE模拟方法对晶体铜进行纳米机械加工模拟，并观察了加工后晶体表面的结构变化。
模拟结果显示，经过机械加工处理后，晶体表面出现了微观结构的变化，表面形成了大量的孔洞和坑洞，同时材料膨胀性也发生了改变。
这些变化均影响了晶体铜的表层结构和物理性质。
为了进一步探究这些表层结构变化的机理，本文分别对表面孔洞和材料膨胀性的形成机理进行了分析。
结果表明，机械加工过程中，晶体表面原子受到断裂、重组和扭曲等多种力学作用，进而形成了大量的微观孔洞和坑洞。
另外，晶体铜内部离子的极化效应也对表面的膨胀性起到了重要作用。
总之，本文基于分子动力学方法对晶体铜纳米机械加工表层形成机理进行了深入研究。
结果表明，加工过程中晶体表面结构和性质发生了明显的变化，这些变化将对晶体的物理化学性质以及材料实际应用产生影响。
此外，本文也为纳米机械加工技术提供了理论参考，为晶体铜材料的性质调控和应用提供了一定的理论支持基于分子动力学方法模拟晶体铜纳米机械加工表层形成机理的研究，发现机械加工过程中晶体表面发生了明显的结构和性质变化，这些变化将对晶体的物理化学性质以及材料实际应用产生影响。
本研究为纳米机械加工技术提供了理论参考，并为晶体铜材料的性质调控和应用提供了一定的理论支持。