论文部分内容阅读
纳米晶Cu/Ni体系中Ni元素含量的改变，可以对磁性、硬度、杨氏模量等特性进行调节。由于Cu/Ni合金结构具有防腐蚀、抗污、电催化，高抗拉强度、耐磨等特性，使得Cu/Ni合金在表面涂料或微纳系统等领域具有非常好的应用前景。在对纳米多晶金属进行冲击加载时常会导致晶界滑移或位错堆积，在晶界上产生孔洞。由于冲击加载时的瞬时性特点，在实验上对该过程进行测试表征难度较大，多晶金属中孔洞的生长合并导致动态破坏的机制仍然不清楚。孔洞的形成和生长对纳米晶材料的寿命及稳定性影响深远，对其研究具有重要的价值与意义。本文主要基于Cu、Cu/Ni体系，利用分子动力学方法对其纳米晶结构拉伸条件下的力学特性、孔洞生长及微观结构演化特点进行模拟研究，为设计符合要求的纳米晶材料提供借鉴指导作用。具体内容如下：首先，模拟了含孔洞纳米多晶铜在单轴拉伸和三轴拉伸条件下的演化特点。结果表明对于不含孔隙的模型，孔洞的产生主要集中在晶界以及三晶交处，孔隙不断产生、合并形成了类似“云”状的孔洞，孔洞的生长如同云朵的汇聚。对于含孔模型，除预先存在的孔洞外几乎不产生其他孔隙，原孔洞的尖端不断的钝化，甚至在应变远超过屈服应变时，材料中仍未出现裂纹。孔洞的存在降低了纳米多晶铜材料的屈服强度，但材料却表现出特殊的延展性。其次，模拟了纳米多晶Cu/Ni薄膜在不同应变率下进行应变加载时的变形行为与力学性能。结果表明，Cu/Ni薄膜在较高的应变率加载情况下具有较高的屈服极限和应变率敏感性(m)。应变率为108s-1时Cu/Ni多层膜的界面上产生孔洞，而应变率为1010s-1时纳米多晶Cu薄膜出现碎裂。在较高的应变率加载条件下，Cu、Ni薄膜中FCC、HCP、OTHER原子团分数变化都很显著，而较小应变率时只有Cu薄膜的结构变化明显。模拟结果还表明，应变率增加有利于堆垛层错的形成，但应变率超过某一值时无序原子团增加会阻碍堆垛层错原子团的生长。再次，模拟了均匀纳米晶Cu/Ni合金及界面结构不明显的梯度纳米晶Cu/Ni合金拉伸条件下变形特点：(a) Ni成分的增加有利于纳米晶Cu/Ni合金杨氏模量的增加，纳米单晶Cu/Ni合金随Ni成分增加抗拉强度有先减再升的变化趋势，而纳米多晶Cu/Ni合金随Ni成分增加抗拉强度表现出递增趋势。(b)沿梯度方向拉伸不同成分梯度纳米单晶Cu/Ni合金，梯度减小抗拉强度越大且变化显著；梯度纳米多晶Cu/Ni合金则梯度增加抗拉强度增加但并不显著。(c)沿垂直于梯度方向拉伸不同成分梯度纳米单晶和多晶Cu/Ni合金，随着梯度增大，抗拉强度表现出先减后增趋势。