纳米多晶铜超塑性变形机理分子动力学

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.12(2015)126201纳米多晶铜的超塑性变形机理的分子动力学探讨闻鹏1)陶钢1)y任保祥1)裴政2)1)(南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094)2)(中国兵器工业集团第52研究所烟台分所,烟台264003)(2014年12月10日收到;2015年1月22日收到修改稿)在聚能装药爆炸压缩形成射流的过程中,伴随着金属药型罩的晶粒细化,从原始晶粒30—80m细化到亚微米甚至纳米量级,从微观层面研究其细化机理和动态超塑性变形机理具有很重要的科学意义.采用分子动力学方法模

2、拟了不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的单轴拉伸变形行为,得到了不同晶粒尺寸下的应力-应变曲线,同时计算了各应力-应变曲线所对应的平均流变应力.研究发现平均流变应力最大值出现在晶粒尺寸为14.85nm时.通过原子构型显示,给出了典型的位错运动过程和晶界运动过程,并分析了在不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的塑性变形机理.研究表明:当晶粒尺寸大于14.85nm时,纳米多晶铜的变形机理以位错运动为主;当晶粒尺寸小于14.85nm时,变形机理以晶界运动为主,变形机理的改变是纳米多晶铜出现软化现象即反常Hall-Petch关系的根本原因.通过计算结果分析,建立了晶

3、粒合并和晶界转动相结合的理想变形机理模型,为研究射流大变形现象提供微观变形机理参考.关键词:分子动力学,动态超塑性变形机理,单轴拉伸,反常Hall-Petch关系PACS:62.20.fq,71.15.PdDOI:10.7498/aps.64.126201流动层是材料动态超塑性变形的塑性源,在剪切1引言或挤压的情况下“界面”层会产生压缩或拉伸应变.Murr[7]给出了射流拉伸过程中晶粒细化演变模型,自Munron发明了带药型罩的聚能装药以来,并发现在高应变率塑性变形时约2/3的应变来自聚能装药被广泛地应用于军事和工业生产当中.在晶粒的变

4、形.Meyers等[8]利用厚壁圆筒压垮试验聚能装药爆炸压缩形成射流的过程中,伴随着金属对高应变率下金属微观组织的动态演化过程进行药型罩的晶粒细化,晶粒尺寸从30—80m细化到了研究,结果发现在绝热剪切带中,动态超塑性变亚微米甚至纳米量级,关于其细化机理和动态超塑形使铜晶粒的尺寸从50m降到20—100nm左右.性变形机理已有许多论述[14],但从分子动力学方Meyers等[9]在其综述性文章中总结了在纳米量级面探讨很少,特别是纳米状态的动态大变形机理.下多晶金属的主要变形机理模型,其中包括位错运因此,探讨该问题具有很强的科学意义

5、.动、晶界滑移和晶粒合并等.1990年,Chokshi和Meyers[5]提出了聚能射流作为试验的强有力补充和对理论模型的验动态超塑性变形的概念,人们意识到金属在高应变证,分子动力学方法是直观研究纳米量级多晶金率条件下的超塑性特性应该是影响射流性能的主属材料的有效工具.随着计算机性能的提升和描要原因,自此动态超塑性成为了射流研究的主要述原子间相互作用的嵌入原子势(embedded-atom方向.他们还提出动态再结晶是一种将高应变率method,EAM)[10]的不断改进,可以更加准确地模与流动现象结合在一起的机理,这是超塑性的本拟数百万

6、甚至千万量级原子体系的运动.Schiøtz质,典型的例子就是射流的形成.Li[6]提出“界面”和Karsten[11]对晶粒尺寸从5nm到50nm的多晶江苏省普通高校研究生科研创新计划(批准号:KYLZ_0325)资助的课题.†通信作者.E-mail:taogang@mail.njust.edu.cn©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn126201-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.12(2015)126201铜进行拉伸模拟,研究了晶粒

7、尺寸对多晶铜力学compaction)[17]、液体快速冷凝法(quenchingfrom性能的影响,发现最大流变应力出现在晶粒尺寸为themelt)[18]和Voronoi几何方法(Voronoigeomet-10—15nm之间.Garritt等[12]通过对微观旋转量ricalconstruction)[19]来生成纳米多晶模型的初始和格林应变张量等的计算,定量分析了纳米孪晶铜构型.Voronoi几何方法是现阶段分子动力学模拟(nanotwinnedcopper)在变形过程中的原子数据信纳米多晶金属最常用的方法,本文采用此种方法得息

8、,发现在变形过程中,当晶粒尺寸减小时晶界运到了初始纳米多晶铜模型.根据已有研究可知,在动变得十分重要.Zhang等[13]研究了含有裂纹的晶粒尺寸降为10nm量级时会出现流变应力的转纳米孪晶铜在单轴拉伸下的