納米鋁桿拉伸過程的分子動力學(xué)模擬論文
1引言
材料性能隨尺度的改變發(fā)生變化.微器件尺寸微小、比表面大，其性能與宏觀材料明顯不同，例如更少的缺陷、更高的強度、表面效應(yīng)顯著等.為了能夠設(shè)計、制造微機械，我們必須深入了解這些微機械的力學(xué)行為.面分子動力學(xué)則成為了一個有力的工具，分子動力學(xué)模擬具有溝通宏觀特性與微觀特性的作用，對于許多在理論分析和實驗觀察上都難以說明的現(xiàn)象可以作出一定的解釋.
國內(nèi)外在晶體力學(xué)行為的分子動力學(xué)模擬方面開展了許多工作.研究了缺陷對單層石墨烯斷裂強度的影響.Uuo等研究了在脆性斷裂時所呈現(xiàn)出的裂紋陷阱效應(yīng)以及裂紋擴展和鈍化行為.Cao等研究了晶界效應(yīng)對Cu納米線與五次孿晶Cu納米線中塑性形變和斷裂機制的影響.吳恒安叫研究了金屬納米桿的受壓穩(wěn)定性.梁海弋等研究了表面效應(yīng)對納米銅桿拉伸性能影響.
本文主要應(yīng)用基于EAM勢的分子動力學(xué)方法對納米單晶鋁桿在外載荷作用下的原子滑移、位錯等形變行為做相關(guān)現(xiàn)象分析和研究.
2模型細(xì)節(jié)
本次模擬的核心是對各個模型施加外載荷，拉伸或壓縮，研究不同溫度時其在外載荷下的微構(gòu)變化，分析其形變行為.需要指出的是，給定的原子位置只是理想的面心立方結(jié)構(gòu)，并不一定是它的平衡位置.為了模擬的理想化，在每次施加外力之前都先讓模型弛豫一段時間，這里每次的弛豫時間均為5000個時間步長，之后，對上下兩個施力面的每一個原子都施加沿2軸的2e-7 erg/cm恒力.
3模擬結(jié)果及比較分析
3. 1常溫下(300K)沿方向拉伸
納米鋁桿在拉伸過程中，沿軸有明顯的扭轉(zhuǎn)，在拉斷之后扭轉(zhuǎn)部分又慢慢恢復(fù)了過來.晶體在滑移的同時伴隨著沿外力方向的扭轉(zhuǎn)，這表明納米單晶鋁桿在外力作用下，必然發(fā)生了原子滑移.
此過程的平均原子勢能隨分子動力學(xué)時間步變化的曲線.觀察發(fā)現(xiàn)在自由弛豫階段(0-5000步)有下降趨勢，到5000步降到最低，從5000步開始施力以后，隨時間步增加勢能曲線開始上升，到10000步達到最高后又開始下降.這是因為施加外力后，原子間距縱向增加，橫向收縮，原子位置偏離勢能最低點，所以斷裂前勢能一直呈上升趨勢.到10000步時鋁桿被拉斷，勢能最高.在這之后，斷開的兩部分自由收縮弛豫，對應(yīng)勢能的又一次下降.
觀察發(fā)現(xiàn)，勢能曲線在上升過程中有兩處明顯的抖動，為方便起見，這里所示原子只是所關(guān)心的中間部分即納米鋁桿的原子.觀察對應(yīng)的時間步(分別為7000步和8500步)的納米鋁桿原子形態(tài).看到滑移剛好在勢能曲線首次突然下降的地方(即對應(yīng)的時間步)開始產(chǎn)生，此時由位錯產(chǎn)生的滑移面己很明顯，它剛好是面心立方的最密排面，即(111)面.為明顯起見，做了標(biāo)示(圖中灰色部分即是).正是這種滑移使納米鋁桿的整體勢能有了突然下降，這表明滑移是為了平衡外應(yīng)力的結(jié)果.納米鋁桿正是通過這樣的滑移產(chǎn)生塑性變形，從滑移的地方開始變細(xì)，接著被拉斷的.滑移前勢能曲線有個尖峰表明滑移要越過勢壘.
3. 2低溫下(3K)沿晶向的拉伸
溫度對納米鋁桿在拉伸過程中的塑性變形影響很大.在初始結(jié)構(gòu)，邊界條件，自由馳豫及施力情況都與上面一致的情況下，只把溫度T由300 K調(diào)為3 K.發(fā)現(xiàn)納米鋁桿在低溫下沿晶向拉伸時有明顯的脆性.從5000步開始施力，在10000步之前拉伸的過程中，納米鋁桿表面上并沒有明顯的變化，到10000步時突然從上端接近施力面的部位的表面出現(xiàn)位錯，接著從出現(xiàn)位錯的地方開始滑移，直至完全斷開.
斷裂的整個過程.在這一過程中它并沒有像在300 K下拉伸時那樣出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)動，直觀上看出了溫度對納米鋁桿拉伸性能的影響是十分顯著的.下面將進一步從勢能曲線的變化深入分析產(chǎn)生這種變化的原因.
從勢能曲線可以看出，從7000步開始勢能曲線一直光滑上升，到11000步達到最高后曲線首次突然下降，納米鋁桿在對應(yīng)時間步剛好沿111巨110滑移系開始出現(xiàn)滑移.
這里的`滑移沿四個面都有，它只顯示了其中的一個滑移面和另一個滑移面的側(cè)面.在這之后，繼續(xù)拉伸，沿滑移面的小規(guī)模滑移使勢能曲線接著下降.然后，單靠滑移不能抵抗外力對納米鋁桿的作用，勢能曲線又一次上升，直到16500步中b所指處被完全拉斷.
低溫下，位錯克服勢壘比較難，造成了拉伸過程中位錯傳播受到阻礙，難以通過滑移降低納米鋁桿的整體勢能，所以在首次突然滑移之前系統(tǒng)積累了大量勢能，在3 K下平均原子勢能在10000步首次滑移之前己經(jīng)達到最高(箭頭a所指)以后直到斷開也沒有再次超過它.在出現(xiàn)滑移后就釋放大量勢能，然后斷裂，表現(xiàn)為脆性斷裂. 300 K下沿晶向拉伸時的勢能隨時間步的變化則不一樣，它在拉伸過程因為滑移在a處首次下降之后，又一次上升，直到10000步上下兩部分完全斷開時才達到最大.
3. 3高溫下(800 K)沿晶向的拉伸
同時，在其它條件不變的情況下，還與800 K高溫下沿晶向的拉伸作了比較.發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高沿晶向拉伸時，表現(xiàn)為塑性增強.可以看到納米鋁桿被拉的很細(xì)很長，表現(xiàn)為很好的塑性.在這一過程中，納米鋁桿基本是被均勻拉長的，沒有明顯的沿某個晶面的滑移.對應(yīng)的平均原子勢能曲線整體上并沒有很明顯的突然下降，盡管由于溫度較高面波動比較多，這反映了高溫下產(chǎn)生滑移的位錯很容易進行，沒有像低溫下那樣面明顯的勢能的積累.
上述三種模擬都是在其它條件完全一樣，包括外力大小也一樣，溫度分別為3k, 300 k, 800k下進行雙向拉伸的.發(fā)現(xiàn)溫度確實對納米鋁桿的變形影響很大.實際上，溫度本質(zhì)上影響了拉伸過程中納米鋁桿位錯的傳播和滑移的難易程度，進面影響整體勢能的變化趨勢，反映在平均原子勢能曲線的變化趨勢上.由于是同一個模型，納米鋁桿的原子數(shù)都是一樣的，所以納米鋁桿整體勢能與平均原子勢能的變化趨勢一樣的.三種不同溫度下的平均原子勢能曲線圖的對比可以明顯看出來溫度對拉伸過程中單晶納米鋁桿整體勢能變化趨勢的影響.
上面主要研究了沿向拉伸時，納米鋁桿在常溫(300 K)，低溫(3 K)和高溫(800K)三種不同溫度下的變形行為.通過對比，發(fā)現(xiàn)納米鋁桿在低溫下表現(xiàn)有脆性增強的趨勢.
4結(jié)論
主要結(jié)合平均原子勢能曲線研究了單晶納米鋁桿在不同溫度下(3 K, 300 K和800 K )沿晶向的拉伸性能.發(fā)現(xiàn)了不同溫度對納米鋁桿拉伸性能的影響和納米鋁桿沿不同晶向拉伸性能的差異性.發(fā)現(xiàn)單晶納米鋁桿在沿晶向拉伸時在低溫下表現(xiàn)為脆性斷裂，隨著溫度升高，塑性增強.
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