基于原子模拟的铜纳米线扭转力学性质的研究

【摘要】： 本文以空心方形截面的铜纳米线为研究对象,建立了其在施加扭转荷载前的原子模型,设计施加了边界和加载条件,并应用分子动力学模拟的方法研究了该类纳米线在扭转作用下的力学性质,综合考虑了不同条件参数对其力学性质的影响。其中包括:加载率的变化,温度效应以及长度尺寸变化对其材料扭转强度的影响。研究结果表明,临界扭转角随着加载率或者长度的增大而增大,随着温度的升高而减小。加载率和温度对单位长度临界扭转角的影响很大,然而纳米线长度的变化却对其影响不大。 运用基于voronoi结构分析的原子晶格结构识别方法,本文研究了铜纳米线的弹性、塑性变形演化机理,分析了其在塑性变形过程中截面形态的变化以及诸如内禀层错、外禀层错和孪晶等品格缺陷的形成过程。同时,也对该类空心结构的铜纳米线在极端加载率条件下的扭转变形、颈缩区域和截面形态变化以及原子的重排等过程进行了分析。随着扭转角度的持续增大,可以发现纳米线的颈缩部位中的原子从面心立方晶格结构转化为无定形状态,之后又重新排列成面心立方结构。与此同时,颈缩部分的横截面形状也从初始的空心方形结构转化为实心圆形结构。 最后,本文研究了铜米线在扭转荷载作用下发生的扭转屈曲行为,同时考虑温度效应以及长度效应对其屈曲模式的影响,进一步分析了该类纳米线的几何失稳与材料失稳之间的关系。在扭转加载过程中,纳米线会发生扭转屈曲现象。较长的纳米线扭转屈曲现象较为明显,同时纳米线在低温环境下比高温环境下会显示出更明显的屈曲模态。铜纳米线的几何失稳较之材料失稳会提前发生,而且对于长宽比越大的纳米线,这种现象的发生就越为明显。扭转载荷下的材料失稳伴随着剧烈的塑性变形,而不全位错的运动是促成塑性变形的主要原因。