高应变率下材料行为的分子动力学研究

 本文用分子动力学方法研究了高应变率下晶体材料的力学行为。在冲击加载下，晶体材料中产生了位错和塑性变形。在强冲击时还可出现相变变化。在讨论应变率变化时，获得了屈服强度随应变率增大而增高的结果。     

与密度、温度、压强以及应变率相关的弹塑性本构模型

 对于弹塑性本构关系中的两个主要物理量，即切变模量和屈服强度，除考虑与温度、密度、压强相关外，本文还引入应变率的影响，并且把静态和动态屈服统一到一个模型中，对于2024Al作了计算，结果与实验符合程度是令人满意的。     

高应变率压缩下纳米孔洞对金属铝塑性变形的影响研究

本文利用分子动力学模拟方法研究了含纳米孔洞金属铝在[110]晶向高应变率单轴压缩下弹塑性变形的微观过程. 对比单孔洞和完整单晶的模型, 讨论了多孔金属的应力应变关系及其位错发展规律. 研究结果表明, 对于多孔模型的位错积累过程, 位错密度随应变的增加可大致分为两个线性阶段. 由同一个孔洞生成的位错在相互靠近过程中, 其滑移速度越来越小; 随着位错继续滑移, 源自不同孔洞的位错之间开始交叉相互作用导致应变硬化. 达到流变峰应力之后又由于位错密度增殖速率升高发生软化. 当应变增加到11.8%时, 所有孔洞几乎完全坍缩, 并观察到在此过程中有棱位错生成.     

温度、应变率和空位缺陷对氮化硼纳米管压缩性能的影响

采用分子动力学方法,分别模拟了完好的和含有缺陷的氮化硼纳米管的轴向压缩过程。原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述。结果表明,同尺寸的锯齿型氮化硼纳米管的临界轴向压缩强度高于扶手型氮化硼纳米管,这与碳纳米管的研究结果一致。发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关。然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响。另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能。与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感。     

外延压应变对BaTiO_3铁电体抗辐射性能影响的分子动力学研究

采用基于壳模型的分子动力学模拟方法,研究了存在外延压应变时BaTiO3铁电体的辐射位移效应,以O原子作为初冲原子(primary knock-on atom,PKA),能量为1 keV,方向为[001],分别计算了外延压应变为0,0.4%,0.8%,1.2%,1.6%,2.0%时体系的缺陷数量、分布,以及辐射前后的极化强度,比较了压应变为2%以及无应变下损伤区域、缺陷离位距离和反向外电场下PKA的迁移距离.结果表明,随外延压应变增加体系极化近似线性增加,辐射后极化降低幅度降低、缺陷产生的数量有所减小,2%压应变存在时缺陷原子的离位距离、PKA在反向外电场作用下的迁移距离和损伤区域都小于无应变的情况,说明外延压应变的存在对辐射造成的晶格损伤具有抑制作用,对辐射损伤具有改善作用,可以通过引入外延压应变来调控BaTiO3的辐射损伤.     

Cu刃型扩展位错附近局部应变场的原子模拟研究

通过结合virial应变分析技术的准连续介质多尺度模拟方法研究了金属Cu刃型扩展位错的局部应变场.结果表明在距离位错核心几十纳米的区域内晶体处于小变形状态,virial应变计算结果与弹性理论预测结果符合得相当好,当距离位错核心仅几纳米时,晶格畸变加剧,virial应变极大值出现在扩展位错两端的Shockley分位错芯部.进一步分析表明Shockley分位错芯部严重畸变区大致呈长轴7b1、短轴3b1的椭圆形,其中b1为分位错柏氏矢量的长度.     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

 指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。     

GaAs晶体在不同应变下生长过程的分子动力学模拟

GaAs晶体的高质量生长对于制造高性能高频微波电子器件和发光器件具有重要意义.本文通过分子动力学方法对GaAs晶体沿[110]晶向的诱导结晶进行模拟,并采用最大标准团簇分析、双体分布函数和可视化等方法研究应变对生长过程和缺陷形成的影响.结果表明,不同应变条件下GaAs晶体的结晶过程发生显著变化.在初始阶段,施加一定拉应变和较大的压应变后,体系的晶体生长速率发生降低,且应变越大,结晶速率越低.此外,随着晶体的生长,体系形成以{111}小平面为边界的锯齿形界面,生长平面与{111}小平面之间的夹角影响固液界面的形态,进而影响孪晶的形成.施加拉应变越大,此夹角越小,形成孪晶缺陷越多,结构越不规则.同时,体系中极大部分的位错与孪晶存在伴生关系,应变的施加可以抑制或促进位错的形核,合适的应变甚至可以使晶体无位错生长.本文从原子尺度上研究GaAs的微观结构演化,可为晶体生长理论提供理论指导.     

外延压应变对BaTiO$lt;sub$gt;3$lt;/sub$gt;铁电体抗辐射性能影响的分子动力学研究

采用基于壳模型的分子动力学模拟方法, 研究了存在外延压应变时BaTiO₃铁电体的辐射位移效应, 以O原子作为初冲原子(primary knock-on atom, PKA), 能量为1 keV, 方向为[001], 分别计算了外延压应变为0, 0.4%, 0.8%, 1.2%, 1.6%, 2.0%时体系的缺陷数量、分布, 以及辐射前后的极化强度, 比较了压应变为2%以及无应变下损伤区域、缺陷离位距离和反向外电场下PKA的迁移距离. 结果表明, 随外延压应变增加体系极化近似线性增加, 辐射后极化降低幅度降低、缺陷产生的数量有所减小, 2% 压应变存在时缺陷原子的离位距离、PKA在反向外电场作用下的迁移距离和损伤区域都小于无应变的情况, 说明外延压应变的存在对辐射造成的晶格损伤具有抑制作用, 对辐射损伤具有改善作用, 可以通过引入外延压应变来调控BaTiO₃的辐射损伤. 关键词： 应变 3')" href="#">BaTiO₃ 辐射损伤 分子动力学模拟     

NiTi形状记忆合金形变机制的应变率相关性研究

利用高速拉伸实验机在宽的应变率范围内(0.001–1200 s^-1), 研究了NiTi形状记忆合金的宏观力学性能随应变率的变化规律, 并借助透射电子显微镜深入研究了微观结构在不同应变率下的演变机制. 研究发现: NiTi合金马氏体(B19’相)孪晶的解孪晶应力随应变率的升高而近乎线性增大, 表明NiTi 合金解孪晶应力具有正向应变率相关性. 在拉伸应变率为10 s^-1的样品微观结构中发现了大量的解孪晶区域, 而当应变率进一步增大到100 s^-1和 1200 s^-1时, 在样品中没有发现解孪晶区域的存在, 样品微观组织以孪晶形式存在. 该结果表明, NiTi合金的马氏体解孪晶速率应在 10–100 s^-1范围内. 在高应变率下(≥qslant10 s^-1)均发现了热引发奥氏体相(B2)的存在, 表明随应变率的增加, 拉伸过程由等温过程逐渐变为绝热过程. 此外, 在1200 s^-1 的样品差示扫描热量曲线中还发现了一个小肩峰, 表明相变过程由一步相变变为两步相变. 关键词： NiTi形状记忆合金 高速拉伸 应变率相关性 透射电子显微镜     

Strain Rate Sensitivities of Face-Centred-Cubic Metals Using Molecular Dynamics Simulation

We use dislocation theory and molecular dynamics （MD） simulations to investigate the effect of atom properties on the macroscopic strain rate sensitivity of f cc metals. A method to analyse such effect is proposed. The stress dependence of dislocation velocity is identified as the key of such study and is obtained via 2-D MD simulations on the motion of an individual dislocation in an fcc metal. Combining the simulation results with Orowan＇s relationship, it is concluded that strain rate sensitivities of fcc metals are mainly dependent on their atomic mass rather than the interatomic potential. The order of strain rate sensitivities of five fcc metals obtained by analysing is consistent with the experimental results available.     

Dislocation structure and dynamics govern pop-in modes of nanoindentation on single-crystal metals

ABSTRACT

There are two types of pop-in mode that have been widely observed in nanoindentation experiments: the single pop-in, and the successive pop-in modes. Here we employ the molecular dynamics (MD) modelling to simulate nanoindentation for three face-centred cubic (FCC) metals, including Al, Cu and Ni, and two body-centred cubic (BCC) metals, such as Fe and Ta. We aim to examine the deformation mechanisms underlying these pop-in modes. Our simulation results indicate that the dislocation structures formed in single crystals during nanoindentation are mainly composed of half prismatic dislocation loops. These half prismatic dislocation loops in FCC metals are primarily constituted of extended dislocations. Lomer–Cottrell locks that result from the interactions between these extended dislocations can resist the slipping of half dislocation loops. These locks can build up the elastic energy that is needed to activate the nucleation of new half dislocation loops. A repetition of this sequence results in successive pop-in events in Al and other FCC metals. Conversely, the half prismatic dislocation loops that form in BCC metals after first pop-in are prone to slip into the bulk, which sustains plastic indentation process after first pop-in and prevents subsequent pop-ins. We thus conclude that pop-in modes are correlated with lattice structures during nanoindentation, regardless of their crystal orientations.     

简单金属固液界面固化过程生长机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究两种简单金属Ni、Al固液界面的动力学过程.结果表明：两种金属表现出相同的特征,即界面温度存在某个特征值（T^*）,生长速度在这个特征温度附近达到最大值.高于这个温度时,随着过冷温度（熔点温度与界面温度差）的增加生长速度单调增加,低于这个温度时,Ni的生长速度几乎不变,而Al的生长速度随过冷温度的增加而快速减小到零.在此基础上,基于高温BGJ碰撞约束模型和低温W-F扩散模型分析界面的生长机制,发现在小过冷温区和深过冷温区存在碰撞机制和扩散机制的渐变过程,不同温区二者所起的主导作用不同,生长机制的转变是T^*存在的原因.     

Influence of Defects and Crystallographic Orientation on Mechanical Behavior of Nanocrystalline Aluminium

Simulation of molecular dynamics using Embedded Atom Method (EAM) potentials is performed to investigate the mechanical properties of single crystal Al along various crystallographic orientations under tensile loading. The specimens are provided with one or two embedded circular voids to analyze the damage evolution by void growth and coalescence. The simulation result shows that the Young's modulus, yielding stress and ultimate stress decrease with the emergence of the voids. Besides, the simulations show that the single-crystal Al in different crystallographic orientations behaves differently in elongation deformations. The single-crystal Al with <100> crystallographic orientations has greater ductility than other orientated specimens. The incipient plastic deformation and the stress-strain curves are presented and discussed for further understanding of the mechanical properties of single-crystal Al.     

固-液界面热整流现象的气体运动论分析

本文采用非平衡态分子动力学模拟方法,研究了固-液界面体系中的热整流现象。系统的两端为固体,而流体处于中间夹层,两端固-液界面的势能参数不同。模拟计算结果表明,此系统实现热整流的原因是左右两端固体壁面对流体分子吸附特性的不对称性。基于气体运动论的分析表明,高低温固体壁面所吸附流体分子数、温度协调系数和系统压强在正反向传热过程中均存在一定差异,从而形成了热整流效应;并且两端固-液界面差异性越大,热整流现象越明显。     

表面效应对铁<100>间隙型位错环的影响

在材料辐照损伤过程中,间隙型位错环的形成及动力学行为严重影响材料在辐照条件下的服役行为.在常用的以体心立方铁为基的合金材料中,1/2<111>和<100>是两种主要的位错环,其对辐照损伤的影响一直都是核材料领域研究的热点之一.在之前的研究中,人们对{111}面与单个1/2<111>位错环的相互作用进行了深入研究,发现表面对位错环性质确实有重要的影响.采用分子动力学方法,在原子尺度详细研究了另一个重要的表面铁{100}面对<100>间隙型位错环动力学过程的影响.模拟发现位错环伯格斯矢量与表面法线方向的关系、距表面的深度、位错环之间的相互作用以及温度等,都对位错环与表面的相互作用产生重要影响,其中,表面作用下的伯格斯矢量的演化以及<100>位错环在此过程中的一维运动首次被发现.基于这些模拟结果,就<100>位错环对表面辐照损伤结构的影响进行详细地研究,给出<100>位错环对表面凹凸结构的贡献,这些结果为理解辐照过程中材料表面的演化提供一种可能的解释.     

初始压入位置对Ni基单晶合金纳米压痕影响研究

针对Ni基单晶合金建立初始压入γ 相的γ /γ' 模型和初始压入γ'相的γ'/γ 模型, 采用分子动力学方法模拟金刚石压头压入两种模型的纳米压痕过程, 计算两种模型[001]晶向硬度. 采用中心对称参数分析两种模型(001)相界面错配位错对纳米压痕过程的影响. 结果显示: 弛豫后, 两种模型(001)相界面错配位错形式不同, 其中γ'/γ 模型(001)相界面错配位错以面角位错形式存在; 压入深度在0.930 nm 之前, 两种模型(001)相界面错配位错变化不大, 压入载荷-压入深度及硬度-压入深度曲线较符合; 压入深度在0.930 nm之后, γ'/γ 模型(001)相界面错配位错长大很多, 导致相同压入深度时γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷和硬度计算结果小; 压入深度在2.055 nm之后, γ /γ'模型(001)相界面错配位错对γ 相中位错进入γ'相有阻碍作用, 但仍有部分位错越过(001) 相界面进入γ' 相中, γ'/γ 模型(001)相界面处面角位错对γ' 相中位错进入γ 相有更明显的阻碍作用, 几乎无位错越过(001) 相界面进入γ 相中, 面角位错的强化作用更明显, 所以γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷上升速度快.     

Determination of the activation energy by stochastic analyses of molecular dynamics simulations of dislocation processes

An investigation is reported of the probability and the probability density of thermal activation of stress-driven dislocation processes, as simulated using molecular dynamics (MD). Stochastic analyses of the survival probability are found to lead to simple relationships between the loading history and the distribution of the interaction time and strength. It is shown that the determination of the activation energy associated to a thermally activated event can be achieved by a reduction of the stochastic process to a process obeying the Poisson's distribution, preserving the activation probability at the survival time. The method is applied to the kink-pair mechanism for screw dislocations in iron. Predictions are compared with experimental results and with other methods reported in the literature, which allows the difference in the approximations and in the assumptions considered in these models to be underlined.     

Atomistic simulation of microtwinning at the crack tip in L12 Ni3Al

The mechanisms of deformation at the crack tip in L1₂ Ni₃Al have been studied by molecular dynamics simulations. The stress-induced microtwinning is found to occur at the crack tip when a sufficiently high stress concentration exists. The formation mechanism of the microtwinning is discussed. It is found to be achieved by the emission of Shockley partial dislocations from the crack tip and then slip of the Shockley partial dislocations on adjacent {111} planes. Furthermore, the mechanism of the microtwinning is also discussed from the standpoint of stress.     

An easy implementation of displacement calculations in 3D discrete dislocation dynamics codes

Barnett’s coordinate-free expression of the displacement field of a triangular loop in an isotropic media is revisited in a view to be implemented in 3D discrete dislocation dynamics codes. A general meshing procedure solving the problems of non-planar loops is presented. The method is user-friendly and can be used in numerical simulations since it gives the contribution of each dislocation segment to the global displacement field without defining the connectivity of closed loops. Easy to implement in parallel calculations, this method is successfully applied to large-scale simulations.