基于分子動力學(xué)的晶體銅拉伸變形機(jī)理研究.pdf

1、目前，微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展迅速，納機(jī)電系統(tǒng)的研究逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。納機(jī)電系統(tǒng)利用納米級構(gòu)件的特殊效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)機(jī)械無法實(shí)現(xiàn)的功能。然而，由于沒有對納構(gòu)件的力學(xué)性能和變形機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究，目前納機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以經(jīng)驗(yàn)和試探的方式為主。本文基于分子動力學(xué)理論，通過模擬納構(gòu)件材料的變形過程，從微觀角度揭示納構(gòu)件的力學(xué)性能和變形機(jī)理。本文的研究對納機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造具有指導(dǎo)意義。
　　本文基于LAMMPS軟件，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)

2、模多核并行計(jì)算。對單晶Cu納米桿和單晶Cu塊體進(jìn)行拉伸模擬，獲得了不同時(shí)刻的系統(tǒng)參數(shù)。通過對比分析，揭示了自由表面在位錯(cuò)形核和擴(kuò)展過程中的作用。結(jié)果表明：受表面效應(yīng)的影響，原子能量高的地方容易產(chǎn)生缺陷原子；單晶Cu納米桿屈服強(qiáng)度小于單晶Cu塊體；單晶Cu納米桿在“位錯(cuò)層塞積—能量上升—位錯(cuò)層開動”的變形機(jī)制下發(fā)生塑性變形；單晶Cu塊體在“空位—微觀空洞—空洞貫穿—斷裂”的變形機(jī)制下發(fā)生斷裂。
　　其次，本文采用Voronoi方法，

3、結(jié)合VC++程序，建立了納米多晶Cu塊體仿真模型，并分析了模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。多晶Cu塊體的晶粒尺寸在納米量級，晶界原子比例較高，晶粒內(nèi)部原子的能量較低，略大于理想晶體Cu的結(jié)合能。晶界原子處于高能量狀態(tài)，截面原子能量分布呈盆地狀。模擬了多晶Cu塊體拉伸變形過程，結(jié)果表明，晶界對多晶Cu塊體變形過程有較大影響。缺陷原子在能量較高的地方產(chǎn)生的概率較大，位錯(cuò)首先在晶界處形核；位錯(cuò)無法穿過晶界擴(kuò)展到相鄰的晶粒內(nèi)部，遇到晶界即停止擴(kuò)展。這導(dǎo)致納米多

4、晶Cu的應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象；觀察到晶粒在協(xié)調(diào)變形過程中有旋轉(zhuǎn)的趨勢，表明其變形機(jī)制以晶界滑移和晶粒旋轉(zhuǎn)為主。
　　最后，采用Voronoi方法，結(jié)合VC++程序，建立了具有不同截面形狀的多晶Cu納米桿仿真模型。模型具有相同的長徑比、晶粒拓?fù)涞龋耘懦@些因素對變形的影響。通過對比兩者拉伸變形的不同，分析了截面形狀對多晶納米桿拉伸變形的影響。結(jié)果表明，截面形狀影響多晶Cu納米桿表面原子能量分布。圓形納米桿的表面曲率大，處于高能量狀態(tài)的表面