单轴拉伸下氧化锆纳米柱相变机理的分子动力学研究

通过分子动力学模拟,观察到[001]取向的四方氧化锆纳米柱在拉伸载荷下具有两个线弹性变形的应力-应变关系.这一现象是四方结构向单斜结构相变的结果 .为了进一步阐明应力-应变曲线,进行了包括晶体结构分析和原子应变计算在内的详细研究.晶格取向强烈影响塑性变形机制,即[001]和[111]取向的纳米柱在拉伸载荷下经历相变,而沿[110]取向的纳米柱导致脆性断裂.观察到显著的温度效应,随着温度从300K升高到1500K,弹性模量从573.45GPa线性降低到482.65GPa.此外,还用轻推弹性带(NEB)理论估算了相变能垒,观察到相变能垒随温度的升高而降低.这一工作将有助于加深对氧化锆的四方相到单斜相转变和纳米尺度力学行为的理解.

水环境下单晶铜纳米压痕缺陷演化与弹塑性变形行为研究

从原子尺度探寻单晶铜在水介质参与下的纳米压痕实验过程中材料的塑性变形规律以及位错形核和缺陷演化过程。采用分子动力学方法,使用Lammps进行水环境下单晶铜纳米压痕模拟,观察压头在加载和卸载过程中的原子瞬态图像,最后得出其压痕过程的载荷-位移曲线,探究其弹塑性变形规律;通过Ovito可视化软件观察单晶铜在纳米压痕过程中HCP晶格类型的铜原子结构,分析单晶铜内部位错演化的4个阶段,观察位错环的形核生长以及发射行为,探究不同位错环之间的形核演化异同,分析位错环的关联耦合效应。对比真空与水介质条件下二者的异同,结果表明:在加载过程中,水分子带走了单晶铜塑性变形的大部分能量,导致单晶铜的位错缺陷的种类和规模均会减小;在卸载过程中,由于水分子的残留,单晶铜表面更加粗糙,单晶铜亚表层的变形也更加严重。另外,不同位错环之间的演化过程较为相似,但压头下压深度越大,位错环的形核时间越滞后,位错规模越小。由此得出,在水环境中,材料的位错变形种类和规模都可以被有效地控制。

纳米尺度孔洞周围应力集中现象分析

运用分子动力学方法,采用EAM势函数对纳米单晶铜杆拉伸过程进行分析。选择一个无孔的纳米单晶铜杆作为模型进行拉伸实验,分析内部拉伸应力分布情况;在该模型中间挖出一个孔洞进行拉伸实验,分析孔边拉伸应力分布情况,用工程应力的方法计算应力、应力集中系数。改变模型尺寸、孔洞半径,对多个模型孔边应力集中系数进行计算,总结孔边应力集中的特点。

纳米尺度单晶铜材料表面切削特性分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究单晶铜材料表面纳米切削特性。通过对单晶铜纳米切削过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究了不同切削速度及切削厚度对单晶铜材料表面纳米切削过程中微观接触区域原子状态和切削力变化的影响规律。研究结果发现:在单晶铜表面纳米切削过程中,切削速度越高,切屑堆积体积越大,切屑里原子的排列越紧密,位错缺陷分布区域越大;在同种切削速度下,切削厚度越大,在刀具前方堆积的切屑体积越大,位错缺陷越多。不同切削速度及切削厚度下,切削力曲线均在切削初期呈上升趋势,达到稳定切削状态后围绕稳定值进行波动,但在切削初期,切削速度及切削厚度越大,切削力上升幅度越大;达到稳定切削状态后,切削速度、切削厚度越大,切削力越大。

带孔纳米单晶铜悬臂梁弯曲的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程。通过一端固定另一端施加横向作用力驱使原子运动,得到纳米单晶铜悬臂梁弯曲的变形图。对其不同于宏观连续介质理论的位移-载荷曲线进行分析,给出了合理的解释。结果表明:纳米尺度下的微缺陷对纳米单晶铜悬臂梁的性能具有明显的影响;尺寸效应和表面效应的影响,以及位错滑移和弛豫的综合作用,使得纳米单晶铜悬臂梁在纳米尺度下表现出与宏观尺度下不同的力学特性。

石墨烯负载铜纳米粒子微观摩擦行为的分子动力学模拟

为了从微观角度研究石墨烯负载铜纳米粒子在摩擦副间的运动状态,分析石墨烯负载铜纳米粒子作为流体润滑添加剂的润滑机理,探究其协同减摩抗磨机理.利用分子动力学理论,建立了石墨烯负载铜纳米粒子和液氩作为基础流体的分子动力学模型,模拟了石墨烯负载铜纳米粒子在基础流体中的微观运动和摩擦过程.结果表明:铜粒子在摩擦副间的运动既有平移又有旋转,且铜粒子有裂变迁移,这与纳米粒子自修复作用和滚珠轴承效应的推论相一致,而石墨烯只有平移,且易吸附在摩擦副表面形成保护膜,减少摩擦副间的摩擦.用石蜡作为基础油,通过“模型”试验验证了石墨烯/纳米铜作为添加剂的减摩抗磨性能,分子动力学理论模拟结果与“模型”试验结果符合良好,均表明:石墨烯负载铜纳米粒子添加剂在较大载荷下更易发挥其协同减摩抗磨性能.

铜纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

本文利用Material Studio软件成功地模拟了铜纳米液滴在真空条件下（10Pa）,温度为1573~2073K的变化情况。通过研究铜液滴在蒸发过程中的均方位移（MSD）,径向分布函数（RDF）及液滴直径大小的变化得出如下结论：随着模拟温度的升高,进入气相的铜原子越来越多,由于流体的各向同性,使液滴最终接近球形。当温度从1773K升温至1873K后,液滴的直径明显变小,这是因为在此温度区间体系从液相转变为气相,此时会有大量铜原子从液滴溢出进入气相,从而导致液滴变小。

纳米尺度固体中应力计算方法研究

纳米尺度的应力计算方法包括维里应力和工程应力的计算方法。作者以计算固体中的拉伸应力为例,阐述两种计算方法在计算固体中应力时的异同及适用范围。比较两种算法在计算垂直于拉伸方向截面上的平均拉伸应力和在该截面上不同位置处的局部拉伸应力,分析在不同外载荷下两种方法的计算结果,最后总结出两种算法各自的优点和缺点。在具体计算中,选取了EAM势函数,用分子动力学方法对纳米单晶铜杆的拉伸过程进行模拟。

纳米铜对蓖麻油酸流体热导率提升机制的分子动力学模拟

为了研究铜纳米粒子对蓖麻油酸基础流体热导率提升的作用机制,基于分子动力学模拟(MD)方法,以铜纳米粒子直径、添加量、形状、布朗运动及系统温度为变量,对纳米流体热导率的影响机制进行研究。结果表明:纳米粒子的布朗运动会提高纳米流体的热导率;纳米铜(Cu)的加入改变了蓖麻油酸基流体的部分区域密度,产生的液体吸附层对基础流体导热性有阻碍作用;纳米流体的热导率随纳米粒子直径、添加量、系统温度的增加而增加;当纳米粒子体积相同时,表面积大的形状会提高热导率。

纳米铜双晶拉伸与剪切变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了纳尺度铜双晶 ( 1 1 1 )面原子层的拉伸与剪切变形。模拟结果显示纳米铜双晶的拉伸与剪切变形都是由弹性变形与塑性变形两个阶段构成。在弹性变形阶段原子排列结构不变 ,而塑性变形阶段此排列结构发生较大变化 ,包括金属键断裂 ,原子与空位迁移、重组 ,晶界变形、迁移等。这种微观变形机制直接决定了相应的应力应变关系 :在弹性变形阶段 ,虎克定律依然成立 ;在塑性变形阶段 ,应力应变曲线产生很大波动 ,其波动情况与微观变形密切相关。模拟还发现纳米铜晶体的塑性比宏观材料好得多 。

纳米铜孪晶的分子动力学模拟研究现状与展望

介绍了纳米铜中孪晶及其作用机理,综述了孪晶界对变形机制和变形行为的影响,描述了分子动力学模拟计算在纳米铜研究中的应用,概述了纳米铜孪晶的研究进展,并对其未来的发展方向做出了展望。

纳米单晶铜板单向拉伸/压缩的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟纳米单晶铜板的拉伸／压缩变形过程，得到了纳米单晶铜板在单向拉伸／压缩状态下的应力应变关系曲线和垂直于拉伸／压缩方向的泊松比．结果表明，纳米单晶铜板在单向拉伸／压缩状态下的弹性极限应变分别约为0．08和-0．03。在此范围内应力应变关系基本上表现为线弹性；垂直于拉伸／压缩方向的两个泊松比取值于0．3～0．4之间，但是不同方向上的泊松比数值不同，表现出由尺寸效应引起的材料力学行为的各向异性．

纳观金属材料拉伸强度的影响因素

应用分子动力学中嵌入原子法(EAM)势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程,得出具有完整结构和各种缺陷结构模型拉伸时的强度极限应力,并分析了缺陷对模型拉伸强度的影响.结果表明:孔洞会降低纳米金属材料拉伸强度,表面缺陷是降低纳米金属材料拉伸强度的最主要因素,不同大小的空穴对纳米金属材料拉伸强度有不同的影响.

浅析宏观与纳观材料拉伸强度差异

应用分子动力学方法，采用EAM势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程，在拉伸的数值模拟过程中，采用具有完整结构和各种缺陷结构模型，观察缺陷对模型强度的影响，给出各个模型拉伸时应力应变曲线及极限应力。

纳米铜丝尺寸效应的分子动力学模拟

中国科学技术大学力学和机械工程系，合肥 ２３００２６摘要 采用ＥＡＭ原子势函数对不同截面尺寸纳米铜丝拉伸性能进行了零温分子动力学模拟．研究表明截面变化对纳米丝拉伸性能有明显影响．由于表面原子弛豫，纳米丝存在表面张应力以及与之相平衡的内部应力．这种本征应力的存在是纳米丝尺寸效应的根源．纳米丝截面减小，则拉伸强度提高、屈服推迟、初始拉伸模量的软化程度增加．

压痕位置对多晶铜纳米压痕变形机理的影响

为研究在纳米压痕过程中微观结构多晶铜力学特性及变形机理的影响机制,采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大尺度多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜不同微观结构分别建立初始压痕位置位于晶粒、晶界面、三叉晶界、顶点团4类微观结构的纳米压痕模型,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程,计算4种模型的纳米压痕力及原子的静应力与第三应力.采用中心对称参数法分析多晶铜表面及亚表面位错演化对纳米压痕过程的影响.结果表明:探针对4种微观结构的纳米压痕过程存在显著的规律性,纳米压痕力的增长速率、纳米压痕过程位错向邻近晶粒扩散的难度、纳米压痕后多晶铜亚表面位错分布范围、纳米压痕过程中低维数微观结构累积原子势能的难度等均满足降序关系:晶粒、晶界面、三叉晶界、顶点团;压痕位于高维数微观结构时,其相邻的微观结构呈拉应力;而压痕位于低维数微观结构时,其相邻的微观结构呈压应力.在多晶铜的纳米压痕过程中,为减少缺陷结构数量及其能量累积,降低材料的残余应力,应针对多晶铜的晶粒进行机械加工并避开顶点团、三叉晶界等微观结构.

晶粒度对多晶铜纳米压痕表面变形机理影响

为研究晶粒度在多晶材料纳米压痕过程中对其塑性变形机制及位错演生过程影响.采用Poisson-Voronoi和MonteCarlo方法建立大规模多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜Hall-Petch效应曲线建立具有不同晶粒度的多晶铜模型,并与单晶铜纳米压痕模型对比,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程,计算4种模型的缺陷结构的配位数、内应力、原子势能等参数.采用中心对称参数法研究压痕过程中位错等缺陷结构的演化机制.结果表明:具有不同晶粒度的多晶铜纳米压痕过程存在显著的规律性,单晶铜压痕力高于多晶铜,多晶铜压痕力随着晶粒度降低而下降;多晶铜的晶界结构能够限制压痕缺陷、内应力与原子势能向材料内部传递,而单晶铜难以限制此传递过程;压痕过程中,具有较小晶粒度的多晶铜具有更高的静水压力、范式等效应力与原子势能,单晶铜内应力与原子势能低于多晶铜.表层及亚表层为较低晶粒度而材料内部为较大晶粒度的梯度晶粒度材料具有极大的研究价值.

弹性波在纳米单晶铜杆中的传播

采用预弛豫和对试件一个端部进行速度加载(另一端固定)的方法在分子动力学模拟中实现了纳米杆真实的动态单向加载过程,并提出了与宏观一致的应变率定义;对长脉冲和短脉冲在纳米铜杆中的传播过程进行了分子动力学模拟,同时也对短脉冲在纳米铜杆中的传播进行了连续介质力学三维有限元模拟.长脉冲的模拟结果表明,纳米铜杆的弹性模量会随着试件截面的增大而增大.短脉冲的模拟结果显示,分子动力学模拟结果相当于在连续介质力学三维有限元模拟结果上叠加了一个抖动,且两种方法模拟得到的波速和Rayleigh波速基本吻合,这表明边界扰动在纳米尺度试件中的传播仍然具有一维弹性应力波和横向惯性效应引起的几何弥散的特征;而叠加的抖动则体现了表面原子对弹性波传播的影响,且与加载前未能将试件完全弛豫到自然状态有关.

有孔纳米单晶铜薄膜拉伸断裂特性的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟有孔纳米单晶铜薄膜的拉伸断裂过程。通过施加拉伸应变驱动原子运动和小孔变形 ,展示有孔纳米单晶铜薄膜随应变增加的原子位形直观分布 ;超过弹性极限后 ,位错发生于小孔的应力集中处。计算所得原子平均能量随变形的增长趋势 ,结果表明 ,有孔纳米单晶铜薄膜的变形机制可以显著地分为三个阶段 ,弹性延伸、塑性滑移。

分子动力学模拟梯度纳米晶Cu的力学性能

应用分子动力学方法模拟纳米晶Cu及梯度纳米晶Cu在单向拉伸载荷下的力学性能与微观结构演化过程。模拟结果表明,梯度纳米晶Cu的屈服强度及拉伸塑性变形能力比纳米晶Cu略高。在对梯度纳米晶Cu拉伸模拟过程中,其变形机制较为复杂,粒径较小的区域首先产生裂纹,然后逐渐在粒径较大的区域出现裂纹,单晶区塑性最好,材料遭到破坏时仍然没有裂纹出现,只存在位错运动及堆垛层错。