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带孔纳米单晶铜弯拉特性的分子动力学模拟

王玉  
【摘要】:本文基于纳米尺度下结构和材料力学行为的研究进展,编写程序,利用分子动力学技术模拟了带孔纳米单晶铜的弯拉特性。研究了纳米尺度下微缺陷和尺寸效应等对纳米单晶铜弯拉特性的影响,发现并解释了纳米单晶铜不同于宏观的性质和规律,拓宽了对纳米尺度下材料和结构性能的理解。 对如何运用分子动力学这一原子尺度的材料模拟技术进行了系统深入的阐述。运用Visual C++编制了分子动力学模拟程序,通过对液态氩部分性能的模拟,对比文献,验证了方法的可行性与程序的正确性。 应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程。通过一端固定另一端施加横向作用力驱使原子运动,得到纳米单品铜悬臂梁弯曲的变形图。对其不同于宏观连续介质理论的位移-载荷曲线进行分析,给出了合理的解释。计算结果表明:纳米尺度下的微缺陷对纳米单晶铜悬臂梁的性能具有明显的影响;尺寸效应和表面效应的影响,以及位错滑移和弛豫的综合作用,使得纳米单晶铜悬臂梁在纳米尺度下表现出与宏观尺度下不同的力学恃性。研究了不同长细比的带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程,其不同的位移-载荷曲线,表明了在纳米尺度下,纳米单晶铜悬臂梁的长细比对其弯曲性能有较大的影响,并且,长细比的变化,使得微缺陷的影响更加明显。 应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜的拉伸过程。通过端面直接施加作用力的方法求出带孔纳米单晶铜拉伸数值模拟的应力-应变关系,探讨了带孔纳米单晶铜杆弹性阶段独特的拉伸性能。发现在纳米尺度下,长细比较小的模型在初始阶段表现出较强的弹性,但随着应力的增加,却更容易进入塑性区:具有孔洞的模型更容易产生位错从而促使了塑性变形的产生;同时,长细比的不同使得孔洞对纳米单品铜拉伸性能的影响更加明显,表现出较强的尺寸效应。


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