孪晶结构FCC金属纳米线变形机制的分子动力学模拟研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:simon_01
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具有孪晶结构的金属纳米线因其优异的力学性能而受到人们的广泛关注。然而,之前的研究大多数都集中在共格孪晶界(CTBs)垂直于其长轴的金属纳米线上,而对于CTBs与其长轴平行的纳米线,它们的强化效应以及变形机制尚不清楚。本文采用分子动力学模拟的方法,以面心立方结构(FCC)金属,如:Al,Ni,Cu,Ag,Pt和Au为研究对象,系统地研究了CTBs与纳米线的长轴平行的孪晶纳米线的力学行为。通过对不同厚度(~6.3、~4.2、~2.8、~1.4和~0.7 nm)的CTBs结构以及四重孪晶(包含三重CTBs和一重非共格孪晶ITB)结构的纳米线进行拉伸变形模拟,揭示孪晶片层厚度对FCC金属纳米线强度以及变形机制具有的显著影响。主要结论如下:(1)系统研究表明,对于CTBs平行其长轴方向的金属纳米线,其强度随着孪晶片层厚度减小而增加。如Al纳米线的屈服强度从~3.12 GPa(单晶)至~3.51 GPa(孪晶片层厚度为~0.7 nm);Ni的屈服强度从~10.47 GPa(单晶)上升至~13.05 GPa(CTBs厚度为~0.7 nm);Cu的屈服应力从~3.82 GPa(单晶)上升至~6.06 GPa(CTBs厚度为~0.7 nm)。(2)研究表明纳米线的塑性变形机制也受孪晶片层厚度的影响。研究发现当孪晶片层厚度减小为三个原子层(CTBs厚度~0.7 nm)时,Al和Ni纳米线的变形由位错行为转化为晶格畸变,从而导致纳米线表现出脆性颈缩;而Cu、Au、Pt和Ag纳米线的塑性变形则由位错行为转化为晶格畸变和原子重排,导致孪晶纳米线中产生新的晶粒。(3)揭示出纳米线塑性变形过程中的位错机制受层错能和不稳定层错能的比值(γsfusf)的影响。当纳米线γsfusf比值较大时,孪晶结构纳米线的塑性变形由伯氏矢量为1/2<011>的扩展/全位错与CTBs相交主导,如金属Al;当纳米线γsfusf比值较小时,塑性变形主要通过伯氏矢量为1/6<112>的不全位错与CTBs相交来实现。(4)发现在Al单晶纳米线塑性变形过程中,一种由扩展位错重叠导致变形孪晶形核的新机制;揭示出变形产生的孪晶在应力下会退孪晶的新现象。(5)构建了四重孪晶结构的Al、Ni、Cu、Ag和Au纳米线,发现四重孪晶结构纳米线具有超强的加工硬化能力。揭示出四重孪晶结构纳米线是通过CTBs的迁移以及ITB处原子重排来实现塑性变形的。
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