纳米金属材料力学行为的多尺度模拟研究.doc

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1、纳米金属材料力学行为的多尺度模拟研究纳米材料宏观力学行为往往与离散缺陷的萌生与运动密切相关，其变形机制可能会跨越多个时间和空间尺度。多尺度模拟方法可将同一材料不同时空尺度上的力学行为有机地联系起来。与传统模拟方法相比，多尺度方法在晶体弹性与塑性行为分析研究方面表现出独特的优势。例如，在通常分子动力学模拟中的晶粒尺寸仅为几纳米或几十纳米，而典型的准连续介质多尺度模拟方法(TheQuasicontinuumMethod)已成功实现模拟尺寸为1μm3量级的晶粒弹塑性变形过程。尽管十余年来多尺度模拟技术已

2、经得到很大发展，但研究者大多致力于计算方法的开发与完善。研究对象基本上局限于不考虑晶界的简单模型。大量实验结果表明晶粒界面对材料的力学行为有着重要影响，采用多尺度计算模拟方法研究界面在固体材料力学行为中的作用非常必要。近年来，沈阳材料科学国家（联合）实验室固体原子像研究部王绍青研究组成功将准连续介质方法应用于晶界相关的纳米金属力学行为模拟，在材料力学性质多尺度计算模拟方面取得了一系列进展。他们通过准连续介质方法模拟了纳米多晶铝的压痕实验过程，观察到了五重对称变形孪晶的形成。采用粗粒化局部应力算法，

3、计算了该五重孪晶形成过程中模型内部原子级的应力场分布。进一步的应力分析结果表明，材料内部高局部应力位置的变化是五重对称变形孪晶形成的重要条件。其中，一段低指数非对称晶界在该五重孪晶的形成过程中起到了重要作用，它将高静水应力局限在压头下方几个晶粒的区域内，并且造成位错反射，从而形成了该五重对称变形孪晶中的第一条孪晶界。该模拟结果可对近期电镜实验观察到的纳米金属中五次对称变形孪晶的形成原因给出较合理的解释。此前他人采用纯双晶模型对这类特殊晶界已经进行了深入研究，然而却没有与具体的实验现象相关联。五重孪

4、晶的模拟结果说明了以这种特殊晶界为代表的微观结构对材料力学行为的重要影响。此外，他们还研究了纳米多晶镍的本征断裂行为。模拟结果表明裂纹前端晶界处的细微孔洞承受强烈的张应力并促使裂纹沿晶界扩展。这种晶界主导的裂纹萌生和扩展机制可能会导致材料在经过有限的塑性应变之后发生脆性断裂，从而限制了其在工业上的实际应用。采用两种不同的镍嵌入原子势函数，他们进一步研究了提高材料拉伸塑性的微观机制和纳米晶体中断裂行为的脆-韧性转变。研究表明非稳堆垛层错能的降低可以强化晶界的位错发射行为，因而是促使材料塑性提高的重要

5、因素。该项工作的系列研究成果现已相继发表在ScriptaMaterialia(Y.F.Shao,S.Q.Wang,ScriptaMater.62,419(2010))等学术刊物上。此研究工作得到了科技部“973”项目的资助。 五重对称变形孪晶形成过程