论文部分内容阅读
应力诱导相变是金属结构材料中广泛存在的一种变形机制，对金属材料的力学、物理等性能具有重要的影响。本文基于分子动力学模拟及理论分析，研究了面心立方金属及L12结构金属间化合物的FCC-BCC相变机制。探索影响FCC-BCC相变的因素，并从理论上解释相变发生的原因。主要研究内容和成果包括以下三部分：
(1)模拟分析四种面心立方金属Ni、Cu、Au和Ag晶体在不同的应变速率和温度条件下沿[100]方向单轴拉伸的变形机制。在高应变速率和低温条件时，晶体拉伸超过弹性极限后出现沿垂直于加载方向的两侧面突然收缩和扩张。当扩张侧向的晶格常数逐渐收敛于拉伸方向的晶格常数时，FCC相转变成无应力状态的BCC相。在低应变速率下拉伸时晶体的塑性变形机制变成位错的增值和滑移，而高应变速率和高温条件下拉伸形成非晶结构。通过模拟拉伸过程中晶体弹性常数C22和C23的变化来进行弹性稳定性分析，从理论上分析了相变机制的发生。
(2)研究了Cu纳米板在不同应变速率和温度下沿[100]方向的单轴拉伸的变形机制。在高应变速率状态下，超过弹性极限后Cu纳米板出现和上述一样的侧向负泊松比现象，最终导致FCC-BCC相变的出现。不同的是纳米板变形时侧向的收缩和扩张过程平缓而非突变，这是因为纳米板的自由表面产生表面应力并诱导出内部压应力。利用这种表面应力的影响可以人为控制晶体在FCC-BCC相变过程中侧向扩张的方向。自由表面也使得纳米板在弹性稳定性判据上做出改善，由于弹性刚度矩阵独立分量从6变成9个，稳定性判据D3=0更加精确地适用于纳米板结构。
(3)分析Ni3Al纳米线沿[100]晶向单轴拉伸时的变形机制。直径2nm和4nm的Ni3Al纳米线在室温300K以应变速率1.0×108s-1拉伸时出现L12-D03-D019(FCC-BCC-HCP)相变，相变在局部发生并以{100}相界滑移直至整体完全相变。随着模型直径的增加纳米线变成L12-D03-D019局部相变，而直径大于8nm后在同种条件拉伸时为位错机制。直径2nm模型在低温条件下拉伸时发生L12-D03-D019连续相变，温度升高后相变分阶段进行且断裂应变减小。卸载D03结构的纳米线可以使其回到初始的L12结构，表明了L12-D03相变的伪弹性，而D019结构的纳米线卸载后则不能回到原始状态，原因为发生D03-D019相变后结构能量下降，内部产生缺陷并导致塑性变形。
(1)模拟分析四种面心立方金属Ni、Cu、Au和Ag晶体在不同的应变速率和温度条件下沿[100]方向单轴拉伸的变形机制。在高应变速率和低温条件时，晶体拉伸超过弹性极限后出现沿垂直于加载方向的两侧面突然收缩和扩张。当扩张侧向的晶格常数逐渐收敛于拉伸方向的晶格常数时，FCC相转变成无应力状态的BCC相。在低应变速率下拉伸时晶体的塑性变形机制变成位错的增值和滑移，而高应变速率和高温条件下拉伸形成非晶结构。通过模拟拉伸过程中晶体弹性常数C22和C23的变化来进行弹性稳定性分析，从理论上分析了相变机制的发生。
(2)研究了Cu纳米板在不同应变速率和温度下沿[100]方向的单轴拉伸的变形机制。在高应变速率状态下，超过弹性极限后Cu纳米板出现和上述一样的侧向负泊松比现象，最终导致FCC-BCC相变的出现。不同的是纳米板变形时侧向的收缩和扩张过程平缓而非突变，这是因为纳米板的自由表面产生表面应力并诱导出内部压应力。利用这种表面应力的影响可以人为控制晶体在FCC-BCC相变过程中侧向扩张的方向。自由表面也使得纳米板在弹性稳定性判据上做出改善，由于弹性刚度矩阵独立分量从6变成9个，稳定性判据D3=0更加精确地适用于纳米板结构。
(3)分析Ni3Al纳米线沿[100]晶向单轴拉伸时的变形机制。直径2nm和4nm的Ni3Al纳米线在室温300K以应变速率1.0×108s-1拉伸时出现L12-D03-D019(FCC-BCC-HCP)相变，相变在局部发生并以{100}相界滑移直至整体完全相变。随着模型直径的增加纳米线变成L12-D03-D019局部相变，而直径大于8nm后在同种条件拉伸时为位错机制。直径2nm模型在低温条件下拉伸时发生L12-D03-D019连续相变，温度升高后相变分阶段进行且断裂应变减小。卸载D03结构的纳米线可以使其回到初始的L12结构，表明了L12-D03相变的伪弹性，而D019结构的纳米线卸载后则不能回到原始状态，原因为发生D03-D019相变后结构能量下降，内部产生缺陷并导致塑性变形。