基于分子动力学模拟的纳米孪晶_多晶VN涂层的塑性特性与变形机理研究

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1、基于分子动力学模拟的纳米孪晶/多晶VN涂层的塑性特性与变形机理研究重庆大学博士学位论文学生姓名：付涛指导教师：彭向和教授专业：力学学科门类：工学重庆大学航空航天学院二O一七年十月MolecularDynamicsSimulationsforPlasticPropertiesofNanoTwinned/PolycrystallineVNCoatingsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByFuTaoSupervi

2、sedbyProf.PengXiangheSpecialty:EngineeringMechanicsCollegeofAerospaceEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2017中文摘要摘要超硬纳米多层膜和纳米孪晶材料作为两种重要的层状结构材料，因其优异的力学性能而得到广泛应用并受到普遍关注，B1结构的过渡金属氮化物/碳化物是其重要组成部分。但此类材料的塑性变形行为及其机理的研究成果尚十分匮乏，这限制了此类材料的设计、开发与应用。本文选取B1结构VN为研究对象，建立了适合V-N体系的原子间作用势，应用该势基于分

3、子动力学方法研究VN纳米涂层的塑性特性及变形机理，取得了以下主要研究进展：①基于第一性原理计算和实验结果确定的2NNMEAM势参数可以较好地描述B1结构V-N体系及其亚稳相结构的力学和物理性质；应用基于该势所确定的广义层错能，初步预测了各滑移系的滑移顺序和可能的全位错/不全位错滑移。②对使用柱状压头进行纳米VN涂层(001)和(111)面压痕进行了模拟，分析了纳米VN涂层中的塑性变形行为和面内各向异性及其影响，主要结果有：(1)发现了三种塑性变形行为：全位错滑移、Shockley不全位错滑移和孪生；(2)得到了该材料中变形孪晶的形成机理：Shockley不全位错的形核、滑移导致层错的扩

4、展是变形孪晶的前提，通过不全位错在相邻{111}平面的连续形核和滑移实现孪晶增厚；(3)变形行为存在面内各向异性，柱状压头轴向沿不同晶向压痕会引发不全位错滑移和孪生两种不同机理。③对采用球形压头进行纳米VN涂层{001}，{111}和{110}压痕进行了模拟，研究了初始塑性变形机理、位错反应和位错环的演化，主要结果有：(1)三个表面的压痕中主要的塑性行为均为Shockley不全位错的形核、滑移并形成{111}面层错；但初始塑性微结构不同：{001}压痕为位错花，{111}压痕为层错三棱锥，{110}压痕为对称的倾斜层错；(2)主要的缺陷反应有：平行的两不全位错先后形核滑移至平衡态形成扩

5、展位错，非平行的两层错相交形成压杆位错；(3)共发现了四种位错环，分别为胚胎位错环、V形位错环、带状位错环和棱柱位错环；(4)利用Thompson四面体解释压入不同表面的微结构演化，微结构随表面不同晶向展现的各向异性可归因于压入表面与Thompson四面体所成角度不同。④对不同孪晶界元素的孪晶VN进行了拉伸/压缩、二维和三维压痕，研究了孪晶界对VN的影响，主要结果有：(1)拉伸时，脆性断裂是主要失效机理，无明显强化；压缩时，位错的形核和滑移是主要机理，有强化，孪晶界原子为V时，易发生孪晶界迁移，导致软化；(2)与孪晶界相关的反应有：孪晶界的迁移、不全位错在孪晶界附近堆积、全位错和不全位

6、错自孪晶界形核；(3)滑移受孪晶界约束、位错受孪晶界的排斥和孪晶界的引入可增加弹性性质为强化机理，而孪晶界迁移、I重庆大学博士学位论文平行于孪晶界的不全滑移和位错自孪晶界形核是弱化机理；(4)针对孪晶VN的硬度随孪晶厚度的变化提出一种新的解释，考虑弹性、约束层内滑移和孪晶界对位错的排斥等硬化机理，及位错自孪晶界形核的软化机理。⑤对多晶VN进行了拉伸和压缩MD模拟，研究了应变率效应、拉压不对-1称性和晶粒尺寸效应。主要结果有：(1)应变率小于1E9s，拉伸/压缩的应力-应变曲线趋于收敛，可视为拟静态加载；(2)弹性拉压不对称性可归因于压缩过程中较高的摩擦力、MD中使用截断半径的影响以及势

7、能曲线的不对称性，而非弹性不对称性还涉及不同的变形机理；(3)广义自洽方法可较好地预测多晶VN的弹性性质与晶粒尺寸(d)的关系；(4)拉伸和压缩的临界应变均随d的减小而增大，表现为延性增强；(5)拉伸的临界应力对d不敏感，而压缩的临界应力和流动应力对d依赖性较强，与1/d呈线性负增长，表现为反Hall-Petch效应，主要原因是d较小时，软相晶界占主导地位。本文的研究结果对于理解超硬纳米多层膜涂层和孪晶陶瓷的致硬机理具有重要意义，并可为高性能纳