纳米线材料拉伸超塑性的分子动力学研究

【摘要】本文利用分子动力学的方法,研究了金属Cu、半导体化合物CuInSe2与陶瓷化合物MgO纳米线拉伸过程,同时考察了生长方向,应变率、温度、尺寸等因素对拉伸性能的影响。然后,我们对密排六方结构(HCP)的金属钛和面心立方(FCC)的金属铝扩散焊过程进行模拟,并考察接头的拉伸性能。纳米线不仅仅是外在几何特征尺寸的简单缩小,其具有巨大的表面效应和表面应力,因此可以表现出许多异于传统体材的奇异行为。对于这三种不同的纳米线,我们发现当以高于临界应变率的速率进行拉伸时,纳米线由脆性断裂向韧性断裂转变,且其延伸率可以超过100%,表现出超塑性的特性,而以较低应变率拉伸时,纳米线仍然表现为脆性断裂,这表明纳米线材料的超塑性对于应变率高度敏感。通过观察纳米线在拉伸过程中的结构变化,发现高应变率拉伸时由于CuInSe2与Cu纳米线中原子的个体行为占据主导因素,晶体结构发生非晶化,在这一转变过程中大量能量被吸收,因而导致了其塑性的变好。而MgO纳米线则发生面心立方结构向环形结构的相变,相变的发生同样导致了能量的吸收,从而使其塑性大大改善。这种高应变率所致的纳米线的结构转变(非晶化或相变)是纳米线发生超塑性的关键因素。对于单晶钛-铝扩散焊过程,我们分析了700K,50MPa时候接触表面附近钛原子和铝原子扩散情况,并对不同冷却速率下的过渡层结构进行分析,发现过快的冷却速率导致过渡层结构的非晶化。同时,我们还考察了接触表面粗糙度对扩散的影响,结果表明,表面粗糙度是影响扩散过程的有重要因素。还对扩散后的试样在不同应变率下进行拉伸测试,研究接头力学性能,发现高应变率下拉伸性能要好于低应变率下的,拉伸时,钛部分的变形机制为孪晶,铝部分的变形机制为滑移,接头屈服强度为相同尺寸单晶钛的62%左右,单晶铝的74%左右。
【作者】包宏伟；
【导师】路文江；汤富领；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】分子动力学；纳米线；拉伸性能；应力应变；超塑性；

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