沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制研究

 用分子动力学方法计算模拟了沿〈111〉晶向冲击加载过程中，单晶铜中纳米孔洞（直径约1.3 nm）的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果表明，在沿〈111〉晶向冲击加载后，在面心立方（fcc）结构中的4族{111}晶面中有3族发生了滑移。伴随孔洞的增长，在所激活的3族{111}晶面上，观察到位错在孔洞表面附近区域成核，然后向外滑移，其中在剪切应力最大的〈112〉方向上，其位错速度超过横波声速，其它〈112〉方向的位错速度低于横波声速。模拟得到的位错阻尼系数范围与实验值基本符合。由于孔洞周围产生的滑移在空间比较对称，孔洞增长形貌接近球形。在恒定的冲击强度下，孔洞半径增长速率近似保持恒定，其速率随着冲击强度的增加而增大。     

冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

〈111〉晶向冲击加载下单晶铜中纳米孔洞增长的早期动力学行为

利用分子动力学方法模拟计算了单晶铜中纳米孔洞在沿〈111〉晶向冲击加载下增长的早期过程.测量发现不同加载强度下等效孔洞半径随时间近似成线性变化.观测到单孔洞增长的两种位错生长机理：加载强度较低时，只在沿着冲击加载方向的孔洞顶点附近区域有位错的成核和运动；而随着加载强度超过一定阈值，在沿冲击加载和其垂直方向的孔洞顶点区域都观察到位错的成核和运动.在前一种机理作用下，孔洞只沿加载方向增长；在后一种机理作用下，孔洞同时沿加载和垂直于加载方向增长.分析孔洞表面原子的位移历史，发现沿加载及与其垂直方向的孔洞顶点沿径向的速度基本恒定，由此提出了一个孔洞生长模型，可以解释孔洞增长的线性生长规律. 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 位错     

孔洞对FeCrNiCoCu高熵合金拉伸性能影响的分子动力学研究

孔洞是FeCrNiCoCu高熵合金在制备过程中常见的缺陷,为此本文利用分子动力学模拟方法构建含孔洞的FeCrNiCoCu模型进行单轴拉伸模拟,探究了孔洞位置、孔洞半径和变形温度对其力学性能的影响.研究发现,在Z轴晶向为[111]的晶体中和晶界处的孔洞会显著降低模型的屈服应变和屈服强度,但对模型的杨氏模量影响不大.随着晶界处孔洞半径的增大,在弹性阶段,孔洞半径增大使应力集中面积增大,有利于位错形核,模型的力学性能随之降低.在塑性变形阶段,随着孔洞半径的增大,初始位错更倾向于向Z轴晶向为[001]的晶体中扩展.在中、低温条件下(T<800K),模型保持良好的力学性能;在高温条件下,力学性能显著降低.在高温塑性变形阶段,模型中的总位错线长度较低,平均流变应力也较低.     

高应变率加载下FCC金属晶体取向对孔洞增长的影响

采用率相关的晶体塑性本构模型研究了冲击荷载作用下晶体取向对面心立方金属内部孔洞增长的影响。利用VUMAT子程序,将率相关晶体塑性本构模型嵌入ABAQUS有限元软件中,分析了单晶晶内孔洞、双晶晶界孔洞和三角晶界孔洞的增长行为,结果显示：孔洞的变形模式与晶体取向、晶界位置（冲击加载方向与晶界的相对方位）、加载方向相关,晶体的滑移线模型与晶界位置之间的关系可以反映孔洞增长方向。对于晶内孔洞,加载方向越接近[011],孔洞开始增长变形时间越晚,但孔洞的总体增长变形越大;加载方向越接近[111],孔洞开始增长变形时间越早,但孔洞的总体增长变形越小。对于晶界处孔洞,晶界位置影响孔洞的部分变形,但不会影响总体变形。晶体受冲击之后,若孔洞增长方向沿晶内,则晶界会促进孔洞沿晶内增长;若增长方向沿晶界,则晶界会促进孔洞沿晶界方向增长,抑制其向晶内增长。     

纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为。通过与无孔纳米单晶铜块体弹性性能的比较，可知小孔使纳米单晶铜的弹性模量显下降。弹性阶段，有孔单晶铜中无位错产生；超过其弹性极限后，位错线从四周向有孔单晶铜内部发射，位错滑移为其主要变形机制。     

冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究

通过分子动力学模拟研究了在相同冲击加载强度下单晶铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征,结果发现氦泡和孔洞的塌缩是由发射剪切型位错环引起的,而没有观测到棱锥型位错环发射. 氦泡和孔洞周围的位错优先成核位置基本一致,但是氦泡周围发射的位错环数目比孔洞多,位错环发射速度明显比孔洞快. 且氦泡和孔洞被冲击波先扫过部分比后扫过部分发射位错困难. 通过滑移面上的分解应力分析发现,氦泡和孔洞周围塑性特征的差别是由于氦泡内压引起最大分解应力分布改变造成的. 氦泡和孔洞被冲击波先后扫过部分塑性不对称是因为冲击波扫过时引起形状变化, 关键词： 分子动力学 冲击波 氦泡 孔洞     

冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究

利用分子动力学方法计算模拟了沿〈100〉晶向冲击加载下单晶铜中双孔洞的贯通过程.发现孔洞周围发射剪切型位错环是孔洞塌缩和增长的原因.在拉伸阶段,孔洞首先分别独立增长,随后其周围塑性变形区开始交叠和相互作用,最后两个孔洞开始直接贯通.这种贯通模式和实验对延性材料中孔洞贯通过程的显微观察结果一致.对四种不同θ值（θ为两个孔洞中心连线与冲击加载方向之间的夹角）的模型分别进行了计算模拟,发现在相同的冲击加载强度下,θ＝0°和θ＝30°的孔洞之间没有相互贯通; 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 贯通     

纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为.通过与无孔纳米单晶铜块体弹性性能的比较,可知小孔使纳米单晶铜的弹性模量显著下降.弹性阶段,有孔单晶铜中无位错产生;超过其弹性极限后,位错线从四周向有孔单晶铜内部发射,位错滑移为其主要变形机制.     

纳米单晶铜薄膜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

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。     

单晶Cu(001)薄膜塑性变形的分子动力学模拟

使用分子动力学方法,模拟研究了单晶Cu(001)薄膜在双向等轴拉伸应变下的塑性变形行为.当应变超过一定值时,样品通过产生位错、层错及孪晶而发生塑性变形.当应变相对较低时,不全位错首先在薄膜表面形核并在密排面上滑移,留下堆积层错;当应变增加时,位错在表面与内部同时成核生长,层错数量也随之增加.分析了相邻滑移面上的位错之间相互作用形成孪晶的微观过程.材料内部形成大量堆积层错及孪晶后,较大孪晶的密排面上的原子也会发生滑移,形成孪晶内部的层错结构以释放残余应力.     

纳米多孔银力学性能表征分子动力学模拟

纳米多孔金属拥有优异的物理、化学性能,在众多领域中极具应用前景.相关力学性能的认知是实现其功能化应用的重要基础之一.基于分子动力学模拟,以三种拓扑结构(立方体结构、金刚石结构、螺旋体结构)的纳米多孔银为对象,研究了单轴拉伸下的力学响应,探讨了拓扑结构和相对密度与其力学性能的内在联系.仿真结果表明,纳米多孔银的极限强度和杨氏模量随相对密度增大而增大的同时,还紧密地依赖于拓扑结构.其中,金刚石结构与螺旋体结构的模量随相对密度的变化趋势较为相近,而螺旋体结构中螺旋形式的孔棱在受力拉直的过程中抵抗变形,表现出相对较好的塑性.立方体结构中,孔棱分布形式单一,抵抗变形的能力较弱,模量值较低.同一相对密度下,金刚石结构的强度最大,立方体结构次之,螺旋体结构最小.金刚石结构中,交错的孔棱间形成三角骨架结构,具有一定的稳定性,表现出相对较高的强度.     

Effect of void size and Mg contents on plastic deformation behaviors of Al-Mg alloy with pre-existing void: Molecular dynamics study

The plastic deformation properties of cylindrical pre-void aluminum-magnesium (Al-Mg) alloy under uniaxial tension are explored using molecular dynamics simulations with embedded atom method (EAM) potential. The factors of Mg content, void size, and temperature are considered. The results show that the void fraction decreases with increasing Mg in the plastic deformation, and it is almost independent of Mg content when Mg is beyond 5%. Both Mg contents and stacking faults around the void affect the void growth. These phenomena are explained by the dislocation density of the sample and stacking faults distribution around the void. The variation trends of yield stress caused by void size are in good agreement with the Lubarda model. Moreover, temperature effects are explored, the yield stress and Young's modulus obviously decrease with temperature. Our results may enrich and facilitate the understanding of the plastic mechanism of Al-Mg with defects or other alloys.     

Effect of temperature on deformation of carbon nanotube under compression

The mechanical behaviour of carbon nanotubes is one of the basic research fields on the nanotube composites and nano machinery. Molecular dynamics is an effective way for investigating the behaviour of nano structure. The compression deformation of carbon nanotubes (CNTs) under different temperature is simulated, by using the Tersoff－Brenner potential to describe the interactions in CNTs. The results show that thermal fluctuations may induce the strained CNT to overcome the local energy barrier and develop the plastic deformation.     

The non-Hooke’s behavior of porous zirconia subjected to high-rate compressive deformation

The deformation of partially stabilized zirconia ZrO₂(Y₂O₃) with various pore morphologies is studied. During the synthesis of bar and lamellar ceramic structures, an effect of mechanical instability is discovered. This effect, along with the purely elastic behavior of the ceramic and the accumulation of microdamages under high-rate compressive deformation, produces considerable strains in the porous structure without material failure and substantially extends the applications of porous ceramic materials.     

单向拉伸作用下Cu(100)扭转晶界塑性行为研究

应用分子动力学方法研究了在不同扭转角度下的Cu（100）失配晶界位错结构,以及不同位错结构对晶界强度的影响.模拟结果表明：小角度扭转晶界上将形成失配位错网,失配位错密度随着晶粒之间的失配扭转角度的增加而增加.变形过程中,位错网每个单元中均产生位错形核扩展.位错之间的塞积作用影响晶界的屈服强度：随着位错网格密度的增加,位错之间的塞积作用增强,界面的屈服强度得到提高.大角度扭转晶界将形成面缺陷,在变形中位错由晶界角点处形核扩展,此时由于面缺陷位错开动应力趋于一致,因此晶界的临界屈服强度趋于定值. 关键词： 扭转晶界 失配位错网 强化机理 分子动力学     

Absorption and luminescence of KBr and KCl crystals subjected to uniaxial compression

Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 55, No. 5, pp. 864–866, November, 1991.     

Orientation dependence of structural transition in fcc Al driven under uniaxial compression by atomistic simulations

By molecular dynamics simulations employing an embedded atom method potential,we have investigated structural transformations in single crystal Al caused by uniaxial strain loading along the [001],[011] and [111] directions. We find that the structural transition is strongly dependent on the crystal orientations. The entire structure phase transition only occurs when loading along the [001] direction,and the increased amplitude of temperature for [001] loading is evidently lower than that for other orientations. The morphology evolutions of the structural transition for [011] and [111] loadings are analysed in detail. The results indicate that only 20% of atoms transit to the hcp phase for [011] and [111] loadings,and the appearance of the hcp phase is due to the partial dislocation moving forward on {111} fcc family. For [011] loading,the hcp phase grows to form laminar morphology in four planes,which belong to the {111} fcc family; while for [111] loading,the hcp phase grows into a laminar structure in three planes,which belong to the {111} fcc family except for the (111) plane. In addition,the phase transition is evaluated by using the radial distribution functions.     

Mechanical properties of bulk single crystalline nanoporous gold investigated by millimetre-scale tension and compression testing

In this work, the mechanical behaviour of millimetre-scale, bulk single crystalline, nanoporous gold at room temperature is reported for the first time. Tension and compression tests were performed with a custom-designed test system that accommodates small-scale samples. The absence of grain boundaries in the specimens allowed measurement of the inherent strength of millimetre-scale nanoporous gold in tension. The elastic modulus and strength values in tension and compression were found to be significantly lower than values measured with nanoindentation-based techniques and previously reported in the literature, but close to those reported for millimetre-scale polycrystalline samples tested using traditional compression techniques. Fracture toughness was found to be very low, in agreement with the macroscopic brittleness of nanoporous gold, but this is due to the localization of deformation to a narrow zone of ligaments, which individually exhibit significant plasticity and necking.