金属纳米线塑性变形加工硬化行为研究

当前基于良好应用预期的一维纳米线材料的研究受到世界各国政府和学者的重视，但其应用一直没有有效突破，对于金属纳米线而言，其瓶颈问题之一是金属纳米线有无塑性加工硬化行为。本项目拟对分子动力学方法进行研究，建立定量精确分子动力学大规模并行计算方法，提供适合金属纳米线塑性加工硬化行为计算软件，进行典型不同尺寸的面心和体心单晶和多晶金属纳米线的塑性变形过程中加工硬化的分子动力学大规模并行模拟研究，并重点结合拉伸实验，探索金属纳米线塑性加工硬化机理。此外，还将揭示金属纳米线塑性加工硬化的关键影响因素。目的是通过分子动力学大规模并行模拟技术和探索性实验揭示金属纳米线材料有无塑性加工硬化行为，以及塑性加工硬化行为的影响因素和发生塑性加工硬化行为的临界尺寸，建立金属纳米线材料塑性加工硬化理论，为一维金属纳米线的应用奠定基础。

当前基于良好应用预期的一维纳米线材料的研究受到世界各国政府和学者的重视，但其应用一直没有有效突破。其瓶颈问题之一是变形中有无塑性加工硬化行为及其内在的塑性变形机制。本项目建立不同尺度下典型面心、体心单晶和多晶体金属纳米线模型并进行了大规模分子动力学模拟。此外还采用先进的微观材料变形表征系统，对金属纳米线加工硬化进行实验对比研究，结合理论分析、大规模计算和实验研究探索金属纳米线的塑性加工硬化行为。项目组鉴于当前世界上仅少数几个课题组初步建立多晶体晶界，且没有报道相关技术细节，经过长期研究开发出了一套新颖的金属多晶体模型的创建方法。所创建的多晶体模型经过多重分子动力学弛豫平衡之后得到的晶界结构稳定，与真实晶体中的晶界结构非常近似，晶界能量和自由体积等值与实验实际测量值和理论计算值基本符合。创建的具有Σ3非对称倾转晶界的模型在拉伸变形过程中均出现了加工硬化现象，是由于晶内大量的位错活动导致位错之间相互作用以及孪晶的产生造成的。研究表明传统的Schmid因子不能对这些结果进行解释，提出用Schmid因子结合法向因子和共滑移因子来解释模拟过程中发现在初始屈服时刻位错均发射进入模型左侧晶体的现象。对当前学术界没有研究的晶粒形状对金属纳米线塑性加工硬化的影响展开了探索性研究，结果表明具有等轴晶的多晶体Ag在单轴拉伸变形过程中仅出现软化行为，是由于晶粒尺寸对位错自由程的限制造成的。而具有片层状的多晶体Ag块体和薄膜在单轴拉伸变形过程中出现加工硬化而纳米线则软化，是由于Lomer-Cottrell位错锁位错运动障碍的产生与破坏造成的。多晶镍纳米柱单轴压缩过程随着晶粒尺寸的减小，晶界分数的增大，流动应力曲线及外表面都变得更加平整，是由于晶内位错滑移及晶界的协调共同作用所造成的。多晶体Mo的塑性变形是以bcc到fcc的相变开始的，同时伴随着少量的位错参与变形，只表现出软化行为。圆柱形通孔没有使单晶体拥有硬化能力。含有圆柱形和球状孔洞的Cu多晶体在变形过程中没有硬化现象出现说明孔洞存在不能够强化金属。项目组发现残存位错能够强化Cu多晶体。本项目通过对面心和体心金属纳米线材料的分子动力学模拟和探索性实验揭示了其在变形过程中的加工硬化行为。探究出了其加工硬化行为的影响因素并建立了塑性加工硬化理论模型。这些研究工作为获得高强并且塑性良好的材料以及扩大一维纳米线的应用奠定了理论基础。