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碳化硅与铜锆合金纳米材料力学性能的原子模拟

成琴  
【摘要】: 本文简要综述了纳米材料,特别是其力学性能研究的发展历程。对陶瓷材料动态力学行为研究的现状,形状记忆材料伪弹性变形效应的发展和应用,以及如何采用分子动力学这一数值模拟方法研究材料热力学性能等问题做了回顾和评述。采用分子动力学方法模拟了β-SiC陶瓷材料沿不同晶向的应力波传播特性,不同β-SiC材料和结构的增韧机制,以及铜纳米丝和铜锆合金纳米丝中马氏体相变效应等,并对相应的内在的原子机制进行了探讨和分析。 首先从固体材料热力学行为的原子尺度模拟这一角度系统地介绍了分子动力学模拟方法,讨论了分子动力学模拟中的一些基本问题,如温度和压力控制、原子作用势函数等。 采用分子动力学方法模拟了β-SiC材料的[100]、[110]、[111]和[112]四个晶向的应力波传播特性。β-SiC材料在[100]、[110]、[111]这三个晶向上波阵面后的应力和粒子速度等方面存在明显差别,应力波传播表现出了明显的各向异性。而[111]和[112]这两个晶向总体性质比较接近,对于应力波传播来说,可以近似认为是两个等价的晶向。在[100]方向上,当速度载荷超过4.91km/s时,β-SiC材料的碰撞区域附近开始出现非晶化现象,且非晶区域的界面会逐步向外扩展以释放碰撞区域的超高压力,最终形成的非晶区域的原子层数与加载速度近似呈线性关系。 采用分子动力学方法研究了β-SiC材料的增韧机制。对于纳晶p-SiC材料,小晶粒纳晶β-SiC在低应变率下的主要破坏方式为晶粒破裂形成非晶团簇,非晶团簇与晶界之间的相互作用使得纳晶能承受更大的应变,从而有效地提高了纳米晶体的延展性。对于β-SiC纳米层状复合结构,厚度较小的纳米非晶层能有效地提高复合结构的屈服应变,并使复合结构出现类似于塑性流动的性质,因此有利于韧性的增强。含非晶外镀层的β-SiC纳米丝在低温条件下能表现出一定的韧性:而常温情况下,不同厚度的非晶外镀层均不能显著提高纳米丝的延展性,表明温度是影响β-SiC纳米丝韧性的重要因素。 采用分子动力学方法研究了单晶铜纳米丝在单向拉伸加载和卸载条件下的马氏体相变过程和虚弹性变形效应。弛豫过程中的100铜纳米丝在表面应力和热能的共同作用下发生晶格转向,转变为110/{111}结构,即轴向为110、侧面为{111}的菱形截面铜纳米丝。该110/{111}结构在应力作用下可能发生反向晶格转向,转变为100结构,在弹性极限前卸载均能返回应力应变原点;加载曲线与卸载曲线形成明显的滞后回路,表明单晶铜纳米丝具有伪弹性变形特性。 采用分子动力学方法研究了Cu-Zr合金纳米丝在单向拉伸和卸载作用下的马氏体相变和伪弹性变形效应。结果表明,Cu-Zr纳米丝在单向拉伸应力作用下能发生马氏体相变,相变以{100}孪生界面的形核与扩展为标志,将整个纳米丝从体心立方结构转变为体心四方结构。单向卸载时Cu-Zr纳米丝将发生反向马氏体相变,从体心四方结构转变为体心立方结构。加载曲线和卸载曲线形成明显的滞后回路,表明Cu-Zr纳米丝具有伪弹性变形效应,计算得出的最大的伪弹性应变值为40%,远远超出传统块状形状记忆合金的最大应变值(约为5%-10%)。Cu-Zr合金纳米丝在单向拉伸加载和卸载条件下马氏体相变表现出明显的尺寸效应。较长的Cu-Zr纳米丝在单向拉伸时,初期容易发生马氏体中间相变,即从体心立方结构转变为不稳定的六面体心相,后期将发生马氏体相变,从不稳定的六面体心相转变为终态的体心四方相。马氏体中间相变过程导致拉伸应力应变曲线中出现了一个中间峰值,该峰值独立于前、后两应力峰值,并且变化幅度小于前、后两峰;原子构形演化的细节表明该中间峰值段与最终马氏体相变形核和扩展存在直接联系,且中间峰值段的幅值与温度有明显的关系。


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