典型纳米单晶铝构件损伤破坏的原子模拟
分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应[1]
![分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/0e31efe2524de518964b7de9.png)
分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应Ξ黄 丹 陶伟明 郭乙木(浙江大学力学系固体力学研究所,杭州,310027)摘 要 对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响.自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制.受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜.纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合G riffith 理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性.关键词 分子动力学,镍,表面效应,单晶0 引言纳米材料由于比表面大,表面能、表面应力和表面原子运动对材料力学行为的影响举足轻重[1].近年来,金属纳米力学实验主要局限于对晶体硬度、蠕变、延展性等性能的测试[2],且实验结果分散性较大,而“从头开始”的分子动力学(M D )方法[3]直接根据原子间相互作用来模拟原子的运动过程,可以模拟纳米尺度实验很难测试的力学行为和现象.已有文献对纳米材料的应变率效应[4]、尺寸效应[5]、裂纹扩展效应[6]等进行了分子动力学计算.本文采用适合于描述不规则晶格环境原子运动的原子镶嵌法(E AM )描述原子间作用,建立了金属镍单晶纳米丝和纳米薄膜模型,并应用分子动力学方法对纳米丝、纳米薄膜准静态单向拉伸破坏过程进行了零温模拟.通过比较两组模型中原子排列、能量、应力的变化,揭示了不同边界条件下单晶纳米材料受拉伸变形破坏的物理本质,讨论了表面效应对纳米材料弹性模量、拉伸强度等力学性能及变形机制的影响.1 分子动力学模拟1.1 原理与方法本文的分子动力学模拟采用Voter 等[7]根据镶嵌原子法提出的镍的多体势函数,设原子总势能E total =∑i12∑jΦ(r ij)+F (ρi )(1)式中Φ(r ij )为相距r ij 的原子i ,j 之间的中心对势,E (ρi )为到电子云ρi 的原子镶嵌能,ρi 为原子i 处的电子云密度,分别表示为Φ(r ij )=A 1(r c 1-r ij )2exp (-c 1r ij )(2)F (ρi )=D ρi ln ρiρi =∑jf (r ij )(3)其中f (r ij )=A 2(r c 2-r ij )2exp (-c 2r ij )(4)表示离原子i 距离为r ij 的原子j 对原子i 处电子云的影响.A 1、A 2、c 1、c 2、D 是由材料物理性能决定的参数.r c 1和r c 2分别表示计算原子对势和电子云密度的截断半径,r c 1=1.65d ,在次近邻原子和第三近邻原子之间;r c 2=1.95d ,在第三近邻和第四近邻原子之间.d 为最近邻原子距离,对于面心立方晶格金属晶体,d =a 0Π2,本文中a 0=0.3524nm ,为镍的晶格常数.对动力学方程的求解通过Verlet 算法[8]的速度形式来进行时间积分.为避免原子热激活,模拟在零温下进行,采用Berendsen 等[9]方法进行等温控制.考虑到表面的收缩和截面尺寸的变化,以Parrinello 2Rahman[10]方法调节自由表面应力.模拟分两组进行,第一组为纳米镍丝结构,第二组为纳米镍薄膜结构.1.2 模型的建立模型的几何构型如图1,其中图1(a )为单胞原子排列及晶向与坐标轴对应关系图,x 、y 、z 坐标轴分别对应单胞的[100]、[010]、[001]晶向.图1(b )为整体模型,共6×20×20个单胞,9600个原子,原始几何尺寸为2.1144nm ×7.048nm ×7.048nm.分子第26卷第2期2005年 6月 固体力学学报ACT A MECHANICA SOL IDA SINICA Vol.26No.2J une 2005Ξ国家自然科学基金(10302025)和教育部回国人员启动基金(J20030151)资助.2004207207收到第1稿,2004210218收到修改稿.动力学迭代的时间步长为3.45fs ,能量单位为1erg.第一组模拟将x 、y 方向控制为自由表面,在z 方向上施加周期性边界条件,使原子模型呈纳米丝结构.第二组模拟将x 方向控制为自由表面,在y 、z 方向上施加周期性边界条件,使原子模型呈纳米薄膜结构.图1 单晶镍材料原子模型1.3 模拟过程首先温度初始化,并控制模型原子温度始终为绝对零度,避免原子热激活.对模型弛豫50000步,使系统有充分时间达到能量最低的稳定状态.沿z 向施加平面拉伸应变0.005,进行分子动力学模拟10000步,在34.5ps 内实现对两端原子的恒速拉伸加载,然后弛豫50000步,使系统达到平衡态,再增加拉伸应变0.005.重复上述施加应变2分子动力学模拟2弛豫过程,直至模型出现断裂.由纳观加载的应变率效应分析[4]可知本文的加载速率处于应变不敏感区,加载属于准静态加载.拉伸过程中调节x 、y 方向尺寸以控制压力.模拟过程中每隔500步记录原子的应力张量,总能量、势能、动能、纳米模型的几何构型、各方向横截面原子排列和坐标位置.2 模拟结果与讨论2.1 原子能量与应力演化过程图2、图3分别给出了两组模型中原子能量和应力演化曲线,图2和图3的纵坐标分别为模型中原子平均总能量和平均正应力,横坐标均为外加应变.初始弛豫后,纳米薄膜的原子平均总能量为-6.845463×10-12erg ,而纳米丝的原子平均总能量为-6.845257×10-12erg.施加荷载后,薄膜原子能量迅速升高,纳米丝原子能量则增加缓慢.这是因为经过初始弛豫后的系统处于能量最低的稳定状态,内部原子处在理想晶格位置,表面原子由于空间不对称而储存了很高的表面能.纳米丝的自由表面比纳米薄膜多,因此外部原子储存的表面能更高.在加载初期,模型内部原子能量升高,而表面原子释放表面能,故纳米丝原子平均能量增加比纳米薄膜缓慢.当表面能的释放小于外加能量时,纳米丝的能量也开始上升.在加载后期,纳米薄膜中由于大量的原子空位和微缺陷,原子结合力弱,原子滑移主导了薄膜的变形并引起理想晶格破坏,原子势能增加;而纳米丝的大量自由表面发射位错,在静态加载过程中位错消耗晶格的应变能,因此纳米丝系统能量低于纳米薄膜,上升梯度也低于纳米薄膜.图2 原子总能量曲线图3 原子应力曲线经过初始弛豫后,表面原子受拉,内部原子受压,纳米薄膜和纳米丝中都存在初始应力,分别为:纳米丝σx =2048Pa ,σy =σz =21470Pa ;纳米薄膜σx =19450Pa ,σy =σz =1.657×105Pa ,可见初始应力与边界条件即自由表面数有关.加载过程中,纳米薄膜的原子应力远高于纳米丝.纳米薄膜x 、y 向应力较高,且持续上升,最大值分别为7.46G Pa 和9.47G Pa ;纳米丝x 、y 向应力很低,在初始加载阶段缓慢上升后,σx 维持在0.3G Pa ,σy 维持在1.7G Pa.这是由于表面原子自由度高,原子运动剧烈,大量的自由表面降低了纳米丝的强度,使其应力水平下降.2.2 表面效应对变形的影响・242・ 固体力学学报 2005年第26卷图4、图5为两组模型在初始弛豫状态和应力最大时刻(ε=0.148)x 2y 横截面原子排列图.在初始时刻,表面原子在空间方向失去相邻原子,纳米丝沿z 向缩短,纳米丝横截面上四个角落原子向内收缩,而四边中部原子向外凸;纳米薄膜在x 方向的自由表面原子也受到初始拉应力的影响,薄膜表面在y、z 方向均收缩,引起表面原子在x 方向向外凸出.图4 纳米镍丝横截面原子排列形状图5 纳米镍薄膜横截面原子排列形状在初始加载阶段,模型沿拉伸方向的缩短逐渐恢复,表面原子释放表面能,运动方向向内;荷载升高后,模型中大量表面原子由于结合键弱于晶体内部,沿一定方向出现滑移.由能量演化曲线和图4(b )可见,荷载增加使纳米丝在横截面四个角落沿对角线方向有明显滑移线,由于x 、y 向均为自由边界,表面发射位错并向内部晶格深入,位错的移动消耗能量,使纳米丝表现出一定的塑性.从图2和图5(b )可以看出,纳米薄膜的变形由原子滑移主导,自由表面发射的少量位错由于y 向的周期性边界条件而无法滑出边界,限制了位错的后续产生.原子滑移导致晶格的破坏和空穴的产生,空穴相互连接、扩展,使薄膜在能量和应力持续升高后突然断裂,类似于宏观脆性断裂.2.3 弹性模量和强度分析通过对z 向应力应变值的最小二乘法模拟可得,纳米镍薄膜的弹性模量为E =186.6G Pa ,略小于Shen 等[11]对无微孔隙纳米镍样品的准静态测试结果(E =217G Pa ),原因在于薄膜表面运动自由度高的原子削弱了晶体的强度.受表面悬键和表面缺陷的影响,纳米材料弹性模量可由内部晶格弹性模量、表面晶格弹性模量和角落晶格弹性模量三部分[12]组成,角落晶格弹性模量远远小于内部晶格弹性模量.纳米丝的自由表面更多,由相互垂直的自由表面边缘原子构成的角落使纳米丝整体弹性模量降低.模拟得到纳米丝E =98.74G Pa ,约为纳米薄膜的一半.值得注意的是,考虑到面心立方单晶的各向异性,本文所得的弹性模量仅为单晶镍在<100>方向的弹性模量,对于本文中的两组模型,可以进行相互比较.由图3可知,在ε=0.148时刻,纳米丝σz =14.58G Pa ,薄膜σz =21.08GPa.根据G riffith 理想脆断理论,理想晶体断裂的最大应力应等于晶格的理论强度.Shen 等[11]由实验测得纳米镍晶格的理论强度为21.7G Pa (一般取0.1E ),本文所得纳米薄膜的断裂强度(21.08G Pa )已经基本接近镍的晶格强度,符合G riffith 脆断理论,而薄膜的应力演化曲线也恰恰显示,薄膜的破坏类似于宏观脆性断裂.受表面效应影响,纳米丝的强度远低于纳米薄膜.3 结论对纳米镍丝、镍薄膜准静态拉伸过程的分子动力学模拟表明:受表面效应影响,纳米材料存在本征应力和很高的表面能;纳米丝的拉伸强度、弹性模量、原子能量和应力水平低于纳米薄膜,而延性高于纳米薄膜.自由表面改变了晶体的变形机制,纳米薄膜的变形以原子滑移为主,破坏类似于宏观脆性断裂,断裂强度21.08G Pa ,可以用G riffith 理想晶体脆断理论解释;纳米丝的变形中位错和原子滑移同时起作用,使纳米丝表现出一定的韧性,出现微弱塑性流动,拉伸强度为14.58G Pa.特征尺寸相同的纳米丝弹性模量约为纳米薄膜的一半.参 考 文 献1 梁海弋,倪向贵,王秀喜.表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟.金属学报,2001,37(8):833～8362 卢柯,卢磊.金属纳米材料力学性能的研究进展.金属学报,2000,36(8):785～7893 Ma X inling ,Y ang Wei.M D simulation for nanocrystals.Acta Mech S inica ,2003,19(6):485～5074 徐洲,梁海弋,王秀喜.纳米丝应变率效应的分子动力学模拟.固体力学学报,2003,24(2):229～2345 H orstermeyer M F ,Baskes M I.Atomistic finite deformationsimulation:a discussion on length scale effects in relation to mechaical stresses.J Eng Mater T ech ,1999,121:115～1196 万建松,岳珠峰,耿晓亮,卢智先.一种镍基双晶材料疲・342・第2期 黄 丹等: 分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应 劳裂纹扩展效应.固体力学学报,2003,24(2):148～1547 V oter A F ,Chen S P.Accurate interatomic potentials for Ni ,Al ,and Ni 3Al.Mat Res S oc Symp Proc ,1987,82:175～1828 Allen M P ,T ildesley D J.C omputer S imulation of Liquids.Ox ford :Clarendon Press ,19879 Berendsen H J C ,P ostma J P M ,G unsteren W F V ,et al.P ostma J P M ,G unsteren WFV ,N ola AD ,Haak JR.M olucular dynamics with coupling to an external bath.J Chem Phys ,1984,81:3684～369010Parrinello M ,Rahman A.P olym orphic transitions in singlecrystals:a new m olecular dynamics method.J Appl Phys ,1981,52(12):7182～719011Shen T D ,K och C C ,Tsui T Y,et al.On the elastic m oduli ofnanocrystalline Fe ,Cu ,Ni and Cu 2Ni alloys prepared by mechanical milling Πalloying.J Mater Res ,1995,10(11):2892～289612Broughton J Q ,Meli C A ,Vashishta P ,et al.Direct atomisticsimulation of quartz crystal oscillators :bulk properties and mam oscale devices.Phys Rev B ,1997,56(2):611～618MOL ECU LAR DYNAMICS SIMU LATION ON SURFACE EFFECTSOF MONOCR YSTALLINE NICKE LHuang Dan T ao Weiming G uo Y imu(Institute o f Solid Mechanics ,Department o f Mechanics ,Zhejiang Univer sity ,Hangzhou ,310027)Abstract With Embedded Atom Method ,the surface effects of m onocrystalline nickel wire and nickel film under uniaxial tension are studied by M olecular Dynamics.With m ore free surfaces ,the atomic energy and stress ,strength and elastic m odulus of nickel wire are all lower than that of nickel film ,but the plasticity of the former is higher than the latter.The rupture of nano film is m ore like brittle fracture and accords with G riffith theory of rupture ,but that of nano wire is m ore like tough fracture with plastic flow.K ey w ords m olecular dynamics ,nickel ,surface effect ,m onocrystalline・442・ 固体力学学报 2005年第26卷。
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
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
纳米压痕有缺陷单晶硅的分子动力学分析
0引言
硅错等半导体因为具有高物理强度、耐磨性、耐高 温、耐腐蚀、抗氧化等特性,使其可以承受高分子材料 和金属材料难以应用的恶劣工作环境。随着科技和工 业的发展,微电子工业市场对这种材料的需求也日益 突出*1-+。但是，脆性材料总是包含一系列缺陷，其中 之一就是裂纹⑷。许多研究表明，纳米结构材料的机 械断裂与裂纹的形核和扩展直接相关[5]&所以研究纳 米裂纹在加工过程中的演变方式以及内在机理以延长 工件的使用寿命显得尤为重要。
( School of Mechanical Engineering, Guizhou Unmersity, Guiyang 550000, China) Abstracc: In order to study the effect of nano cracks in monocrystaaine silicon on the machining process, a molecular dynamics model of nano indentation in monocrysallme silicon was established. In this study, theinfluenceofdiferentindentation 2peed on theevolution ofnano crack2in monocry2taline2ilicon wa2 analyzed. The nanoindentation process, temperature change, potential energy change, loading forcc, crack propagation and coordination number were studied. The results show that the nano cracks in the workpieca tend to heal during the loading process ； The higher the indenter loading speed is, the higher the tempera ture of the nano indentation zone of the workpieca is, and the greater the potential energy is, but the load ing speed hasiteefecton the/oad variation trend； In addition, theamountofBct5 Siand SiIin the workpiecedecreasessignificanty dueto nano cracks.Thisstudy providestheoretica/guidanceforthepractica/procesing ofmonocrystainesiicon semiconductorswith defects. Key wors： molecular dynamics ； nano crack ； nano indentation
7050铝合金内部沿晶微裂纹热塑性修复的元胞自动机模拟
7050铝合金内部沿晶微裂纹热塑性修复的元胞自动机模拟马凯;张效迅;李霞;马芳【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2014(000)002【摘要】根据7050铝合金单道次热压缩变形实验数据，对建立微裂纹修复的元胞自动机(CA)模型所需相关参数进行辨识和计算。
利用Microsoft Visual C++平台编制了包含拓扑变形机制、位错密度演变机制、动态再结晶动力学机制的沿晶微裂纹热塑性修复的微观组织CA演化规则。
针对裂纹表面和母相晶界的不同特征，提出再结晶过程中表面能和晶界能驱动下不同的晶粒长大方式。
CA 模拟结果表明：一定条件下的热塑性变形和动态再结晶可完全修复材料内部微裂纹，且裂纹愈合过程中出现的分段愈合特征与实验结果相吻合，但裂纹愈合的形貌演化取决于裂纹形态、裂纹表面形核率和形核位置、新晶粒长大方向与速度。
【总页数】7页(P351-357)【作者】马凯;张效迅;李霞;马芳【作者单位】上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620;上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620;上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620;上海工程技术大学汽车工程学院，上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TG111【相关文献】1.表面扩散下铜内沿晶微裂纹演化的数值模拟 [J], 杜杰锋;黄佩珍2.表面扩散下铜内沿晶微裂纹演化的数值模拟 [J], 杜杰锋;黄佩珍3.应力梯度下晶内微裂纹演化的有限元模拟 [J], 程强;黄佩珍4.工业纯铁内部穿晶疲劳微裂纹的扩散愈合过程 [J], 张海龙;杨君刚;孙军5.自修复型微胶囊内部微裂纹损伤特性的仿真分析 [J], 夏宇;李伯男;李熙;蔚超;刘洋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
纳米单晶α—Fe功能材料的力学性能及破坏机制
１ 引 言
自从 纳米材料 问世以来 ， 其优异 的力学性 能及与宏 观材料截然不 同的力学行 为一直 是研 究者和产业界关注 的热点。国内外研究人员分别从理论、实验和数值计算角 度研究 了纳米金属、 碳纳米管和纳米复合材料等各种新 型 特 殊功能材料的制备合成方法、力 学行 为和性能［ ，取 １ 得 了一定进展 。但 纳米材 料 的力学性 能与 其 内部 结构 、 表 面 、界面 、晶粒 尺寸等因素之 间的关 系依然没有 明确 的理论表述 ， 纳米 力学实验也 受到力学标 定 、 力学夹 持、
此后进入类似宏观拉伸的屈服阶段纳米线和纳米超薄膜的表面原子率先离开平衡位置运动产生不可恢复变形因而能量加快上升纳米固体内部也开始产生初始缺陷原子离开理想位置运动导致能量加速上升此时产生更大的变形不需要荷载增加或荷载少量增加在纳米固体中在应力一应变睦线上出现一个应力软化阶段这与实验现象14吻合
维普资讯
二 维超 薄膜和三 维理想 纳米 晶固体 ３种 典型纳米 金属 材 料物理 模型 ，采用分子动 力学方法进行 数值试验 ， 研 究 了它们 在 各种外 载 荷作用 下 的力 学性 能 以及 变 形过 程 并通过 已有实验 结果验 证 ， 分析 了 自由表面对纳米 单 晶金属功 能材料力 学性 能和破 坏机制 的影响。
维普资讯
黄
丹 等 ：纳米 单 晶 ａＦ 功 能材 料 的力 学 性 能及 破坏 机 制 ．ｅ
纳 米单 晶 —ｅ 能材 料 的力学性 能及破坏机制 Ｆ 功
黄 丹 ，章 青 ，郭 乙木 ２
（． １ 河海大学 工 程力学系 ，江 苏 南京 ２ ０ ９ ；２浙江大 学 固体力 学研 究所 ，浙江 杭 州 ３ ０ ２ ） １０ ８ ． １０ ７
一
不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究
不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究杨向阳;吴楯;祝有麟;李俊国;张睿智;张建;罗国强
【期刊名称】《高压物理学报》
【年(卷),期】2024(38)3
【摘要】采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。
研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。
不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主导的非均匀孔洞形核影响,而是由不同热力学路径下温升的差异决定。
例如:当最大加载速度为3.00 km/s时,单晶铝均经历均匀层裂,但斜波加载下铝的层裂强度较方波加载时提升56.6%。
斜波加载会产生逐渐增强的压缩波,使单晶铝产生相比于冲击加载更轻度的损伤。
这一现象随着加载速度的提高而变得更加显著。
【总页数】11页(P59-69)
【作者】杨向阳;吴楯;祝有麟;李俊国;张睿智;张建;罗国强
【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室;武汉理工大学湖北省先进复合材料技术创新中心;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O347.1;O521.2
【相关文献】
1.典型金属材料不同波形加载下的层裂现象
2.冲击波加载下单晶铜动态破坏微观过程的分子动力学研究
3.拉伸载荷作用下单晶铝柱动态断裂过程的分子动力学模拟研究
4.层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究
5.单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
纳米多晶Al力学性能与变形机制的分子动力学模拟研究
纳米多晶Al力学性能与变形机制的分子动力学模拟研究纳米多晶Al力学性能与变形机制的分子动力学模拟研究近年来，纳米材料因其特殊的结构和性能而受到广泛关注。
纳米多晶铝（Al）作为一种重要的纳米材料，具有良好的力学性能和潜在的应用价值。
然而，纳米结构对材料的力学性能和变形机制产生了明显影响，因此对纳米多晶Al的力学性能和变形机制进行深入研究具有重要意义。
分子动力学模拟是一种重要的研究纳米材料力学性能和变形机制的方法。
它基于分子尺度，通过模拟原子之间的相互作用，可以定量地研究材料的力学性能和变形行为。
本文利用分子动力学模拟方法，对纳米多晶Al的力学性能和变形机制进行了详细研究。
首先，我们利用分子动力学模拟方法构建了具有不同晶粒大小的纳米多晶Al模型。
模型中包含了数千个Al原子，并且通过周期性边界条件保证了模拟系统的尺寸足够大以免受限制。
然后，我们对模型进行了能量最小化处理，使得材料达到平衡状态。
接下来，我们对模型进行了拉伸和压缩加载的分子动力学模拟。
我们通过施加外部力对材料施加应变，并通过计算应力-应变曲线来分析纳米多晶Al的力学性能。
模拟结果表明，纳米多晶Al在拉伸加载下表现出明显的屈服点和断裂点，而在压缩加载下表现出较强的弹性恢复能力。
此外，随着晶粒尺寸的减小，纳米多晶Al的屈服应力和断裂应变均呈现出下降的趋势。
进一步的分析表明，纳米多晶Al的变形机制主要包括界面滑移、晶界位错运动和晶内滑移。
模拟结果显示，在局部应力集中的区域，晶界周围会形成一定的位错密度，位错密度的变化程度随着晶粒尺寸的减小而增加。
此外，晶界和界面在纳米多晶Al的变形行为中起着关键作用。
晶界具有高能量和结构缺陷，容易成为纳米多晶Al中的位错核心。
在拉伸加载过程中，晶界的滑移和位错运动导致了材料的屈服和断裂。
综上所述，本文利用分子动力学模拟方法对纳米多晶Al的力学性能和变形机制进行了研究。
模拟结果发现，纳米多晶Al的力学性能受晶粒尺寸的影响，并且变形过程中的位错密度变化和晶界滑移起着重要作用。
基于纳米压痕技术和AFM的单晶铝硬度测试实验研究
痕的最大压深 hmax与压痕的残余压深 hresidual之间差值都在 100 nm左右 ,但随着压深的减小 ,卸载后单晶铝弹性恢复
量与最大压深之间的比值逐渐增大 。图 8为载荷 2面积关
系图 ,从中可以看出 ,通过 O liver2Pharr方法测得的压痕面
积
A
和通过
c
AFM 测得的残余面积
A residual与最大载荷
图 4 为 利 用 AFM 获 图 3 单晶铝的载荷 2压深曲线 得的单晶铝压痕形貌图 。图 4 ( a)为图 4 ( b)白色箭头所示 方向的压痕二维图 。从图 4 ( a)中可明显地看出 : 在夹角 处材料凸起很小 ,而在边线的中间部位凸起最大 ,这必将 影响压头与测试材料接触表面上的投影面积的计算 。从 图 4 ( b)中可以看出三条边上的凸起高度也不一样 ,这可 能是由于材料表面的粗糙度 、加工硬化 、压头与试件表面 不垂直 、压头针尖不够尖锐等因素的影响结果 。
(2)
hc
= h - εPmax S
(3)
7
∑ Ac = 24. 56h2c +
C i h1c /2 i
(4)
i =0
式中
:
Hop表示硬度 ;
P表示载荷 ;
A
表示接触表面的投影面
c
积 ; S 为弹性接触刚度 ; hc为接触深度 ; B 与 m 为卸载曲线
的拟合参数 ; hf是完全卸载后的位移 ;ε是与压头形状有关
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 1期
周 亮等 :基于纳米压痕技术和 AFM 的单晶铝硬度测试实验研究
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2008 ,30 (4) :582～585
典型纳米单晶铝构件损伤破坏的原子模拟
Ξ
ATOMISTIC SIMULATIONS FOR DAMAGE AND FAIL URE OF TYPICAL NANOCRYSTALL INE AL UMINUM COMPONENTS
[ 14 ]
式中 , Fi 即为原子 i 所受的合力 。 由方程 ( 2) 建立线性 微分方程组 ,给定系统原子的初始位置和速度 ,可以求 出任意时刻原子的位置和速度。 原子间相互作用的描 述方式是计算精确与否的关键 , 而修正的镶嵌原子法 在原子间对势的基础上 , 考虑到原子所处位置的电子 云密度对势能的影响 , 特别适于描述金属晶体在不规 则晶格环境下的原子运动 。 取系统总势能为
j ≠i
<(r ∑
j
ij
)
( 4)
D 是由材料决定的参数 ,ρ i 即为除第 i 个原子以外其他
3 数值模拟结果与分析
3. 1 铝微构件变形机制分析
所有原子在原子 i 处所产生的电子云密度的线性叠 加 , <j ( ri j ) 是离原子 i 处距离为 ri j 的 j 原子在原子 i 处 产生的电子云密度 。 势函数中的参数可以由实验测出 , 本文选取 Voter 等
1 引言
自从 1984 年 Gleiter 首次制备具有清洁表面的纳 米粒子并原位压制纳米固体成功以来 , 纳米材料和结 构的性能 、 特征一直是众多领域研究的热点 。随着新 型材料的开发应用 、 微电机系统 ( micro2electro2mechani2
cal system , MEMS) 研究的深入和纳米电机系统 ( nano2 electro2mechanical system , NEMS) 研究的迅速发展 ,微尺
n
L =
i =1
∑
mi r i
2
2
- U ( r 1 , r 2 , …, r n )
( 1)
上施加周期性边界条件 ; 纳米薄膜取 6 ×20 ×40 个晶 胞 ,共 19 200 个原子 ,几何尺寸为 2. 43 nm ×8. 1 nm ×
16. 2 nm , x 方向控制为自由表面 , y 、 z 方向施加周期性
第 30 卷第 4 期
黄 丹等 : 典型纳米单晶铝构件损伤破坏的原子模拟
583
程进行分子动力学模拟 , 得到纳米尺度下两种单晶铝 构件的应力 、 能量演化曲线 ; 分析两种纳米单晶铝构件 的损伤演化和变形破坏过程 , 并通过比较宏 — 微观尺 度材料的力学性能 , 讨论自由表面和位错运动及晶格 滑移对金属微构件的力学性能 ,特别是延性 、 断裂强度 以及变形机制的影响 , 以供纳米铝构件及其他纳米金 属元器件系统的设计参考 。
76. 6 GPa ,接近宏观铝构件 。
关键词 铝构件 损伤破坏 分子动力学 纳米晶体 中图分类号 TG146. 21 TG113. 25
Abstract Presented is an atomistic model for mechanical behavior and properties of two typical nanocrystalline Aluminum compo2 nents , nanowire and nano thin film. With modified embedded atom method , the damage and failure process of Aluminum single crystal nano wire and thin film under uni2axial tension was investigated , and mechanical properties , deformation mechanism , damage initiation and evolution of nanocrystalline Aluminum components were then obtained. The effect of free surfaces and atomic interaction on the me2 chanical properties and deformation mechanism was also analyzed. Simulation results show that the tensile failure process of nanowire and nanofilm is close to ductile and brittle respectively , and the critical tensile strain is much higher in the former. Tensile strength of Alumi2 num nanowire and nanofilm is much higher than that of macro components , revealing 11. 142 GPa and 11. 84 GPa , but elastic modulus approaching macro components , is 76. 332 GPa and 76. 6 GPa respectively. Key words Aluminum components ; Damage and failure ; Molecular dynamics ; Nanocrystalline
[ 100 ] 、 [ 010 ] 、 [ 001 ] 晶向 。 纳米丝计算元胞取 10 × 10 × 30 个晶胞 ,共 12 000 原子 ,几何尺寸为 4. 05 nm ×4. 05 nm × 12. 15 nm ,在 x 、 y 方向上控制为自由表面 , z 方向
子的运动过程 ,计算整体系统的力学行为和性能 ,是纳 米计算力学的重要工具 。 在 MD 模拟中 ,取三维空间坐 标系中多原子晶体系统的拉格朗日量
摘要 基于修正的镶嵌原子势函数描述原子间相互作用 ,建立纳米电机系统中两类典型铝构件 — — — 一维纳米单晶 铝丝和二维纳米铝超薄膜受单向加载时损伤破坏过程和变形机制的原子模拟模型 。通过分子动力学模拟得到两类纳米 单晶铝构件的力学性能和变形机制及损伤初始化与累积过程 ,分析自由表面及原子间相互作用对纳米晶构件力学性能 和变形机制的影响 。研究结果表明 , 一维和二维纳米铝构件的拉伸破坏过程分别趋于宏观韧性和脆性 ,一维构件可承 受变形更高 ; 二者拉伸断裂强度分别可达 11. 142 GPa 和 11. 84 GPa ,远高于宏观铝构件 ,弹性模量分别为 76. 332 GPa 和
黄 丹ΞΞ 章 青 卓家寿
( 河海大学 工程力学系 ,南京 210098) HUAN G Dan ZHAN G Qing ZHUO J ia Shou ( Department of Engineering Mechanics , Hohai University , Nanjing 210098 , China)
[324 ]
度下材料和构件的力学行为与力学性能 、 微型元器件 的设计 、 加工和精确控制等问题都显得日益迫切
[122 ]
。
已有实验和数值分析表明 , 当晶粒尺寸缩减到纳米尺 度时 ,材料的性能如强度 、 硬度 、 塑性以及变形机制都
Ξ 20070123 收到初稿 , 20070416 收到修改稿 。国家自然科学基金 ( 50539090) 、 河海大学引进人才科研启动基金及河海大学自然科学基金
右端两项分别表示系统的动能和势能 , r i 为原子 i 所处 位置 。 代入拉格朗日方程 ,可得系统的运动方程 5 U ( r1 , r2 , …, r n ) m i¨ ri = ≡ Fi 5 ri
i = 1 ,2 , …, n ( 2)
边界条件 。 进行数值模拟时 , 首先将两种纳米铝构件几何模 型置于环境温度中 , 引入初始温度 ( 室温 300 K) , 并由 初始温度根据 Maxwell2Boltzmann 分布确定系统所有原 子的初始位置和初始速度 , 继而在初始温度下引入原 子间相互作用势函数 ,进行长时间初始弛豫 ( 10 000 时 间步 ,本文迭代计算的时间步长根据稳定性测试取为 4 fs) ,使系统达到初始平衡状态 ,自由表面和表面重构 对纳米构件的影响将在初始弛豫过程中体现出来 , 同 时消除初始速度带来的随机因素。 经过初始弛豫后对 初始 物 理 模 型 重 复 进 行“增 加 z 向 拉 伸 应 变 0. 001 — MD 模拟 10 000 步 —弛豫 10 000 步” 的准静态 单向加载 ,完成整个微构件模型的缺陷产生 —扩展 — [13 ] 破坏过程 。 模拟全过程中采用 Berendsen 方法控制 系统温度不变 , 采用 Parrinello2Rahman 方法调节自 由表面无约束 。 模拟过程中每隔 100 步记录原子在各 方向的平均应力 、 平均能量以及纳米构件各方向截面 的原子排列形状 。
Corresponding author : HUANG Dan , E2mail : danmechanics @yahoo . com . cn , Fax : + 86 225 283736860
The project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 50539090) . Manuscript received 20070123 , in revised form 20070416.
Utotal = U ∑
i i
=
∑ห้องสมุดไป่ตู้
i
1 2
j ≠i
V(r ∑
ij
) + F (ρ i)