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近年来,随着纳米制造工艺的飞速发展以及纳米材料在工业部门中越来越广泛的应用,具有纳米微结构或者微纳米几何尺寸的材料引起了学术界和工业界的广泛关注。微纳米材料往往含有多个内部和外部特征尺寸,它们的耦合作用使得材料的塑性变形呈现出不同的物理机制,并导致材料的强度和韧性呈现出非常复杂的尺度效应。由于特征尺寸的减小,纳米材料中的塑性变形受到特征尺寸的限制,使得纳米材料一般都具有很高的强度,然而带来较差的韧性。强度与韧度的“倒易关系”限制了纳米材料的广泛应用。如何提高纳米材料强度的同时不(或少)牺牲其韧性是科学家追求的目标,具有重要的学术价值和潜在的应用前景。为此,本文借助于分子动力学模拟方法,研究了多种纳米多晶结构材料的强韧化机理,探讨了提高纳米多晶材料强度及韧性的可能途径。本文主要的工作包括如下四个方面:(1)研究了多晶铝纳米线的单轴拉伸力学行为,探讨了内部晶粒尺寸和外部直径影响纳米线强度的耦合效应及其物理机制。模拟结果表明:在具有不同晶粒尺寸和直径的多晶纳米线中,存在“表面强化”、“晶界辅助变形”、“表面晶粒孪晶变形”、“位错形核和滑移”等多种变形机制;由于这些机制的相互竞争,具有不同特征尺寸的多晶纳米线表现出不同的尺度效应。内部晶粒尺寸为5 nm的纳米线呈现出“直径越小,强度越高”的趋势;晶粒尺寸为10 nm的纳米线,其强度随直径的减小没有出现明显的变化;但是,晶粒尺寸为20nm的纳米线呈现出“直径越小,强度越低”的趋势。(2)提出了一种新的“链状”纳米晶结构材料模型,探讨了其增强及增韧机理。模拟结果表明:通过在晶粒尺寸100m的多晶中添加“链状”纳米晶粒,其拉伸塑性能得到明显提高但其强度却不降低。通过对其变形过程的原子演化细节分析,我们发现:引入“链状”纳米晶粒后,由于纳米晶的变形协调作用,纳米链状结构材料中的应力集中得到有效释放,微裂纹的萌生被明显推迟;此外,“链状”纳米晶粒的转动有效地抑制了微裂纹的扩展;在两者的共同作用下,“链状”纳米晶的韧性得到了明显提升。(3)研究了纳米多晶多层薄膜的单轴拉伸力学行为,分析了晶粒尺寸和层厚尺寸两种特征尺寸耦合作用下材料的增强机理,并对其强度进行了理论预测。模拟结果表明:不同的晶粒尺寸下,随着单层厚度的降低,纳米多晶多层膜表现出不同的塑性变形机制,呈现出不同的强度尺度效应。由于晶界或者相界面的约束作用,会出现“约束偏位错滑移”,“约束扩展位错滑移”和“约束晶界滑移”三种变形机制。随着晶粒或层厚两个特征尺寸的增加或减小,三种变形机制将会分别主导纳米多晶多层薄膜的塑性变形。在此基础上,本文详细分析各种变形机制相互转变的内在原因,并对“约束偏位错滑移”和“约束扩展位错滑移”机制对多层膜强度的影响进行了理论预测,预测结果与模拟结果显示出良好的一致性。(4)研究了纳米孪晶多晶多层薄膜单轴拉伸力学行为,揭示了孪晶厚度对其强化机制的重要影响,并对其在不同变形机理下的强度进行了理论预测。模拟结果表明:通过在纳米多晶多层薄膜中引入纳米孪晶片,纳米多晶多层薄膜的强度可以大幅度提高,并且其强度随着孪晶厚度的减小而增加,呈现“越小越强”的尺度效应。进一步的分析表明:不同孪晶厚度下,纳米孪晶多层薄膜的变形机制会出现变化。当孪晶厚度t>4 nm时,“发卡状”的偏位错滑移是其主要塑性变形机制,当孪晶厚度t<3 nm时,“项链状”的多交割位错滑移是其主要塑性变形机制,当孪晶厚度非均匀分布时,这两种机理共存并主导纳米孪晶多晶多层薄膜的变形行为。本文详细讨论了这两种变形机制的形成和相互转变的内在原因,并分别对各种变形机制下多层膜的强度进行了理论预测,预测结果与模拟结果显示出良好的一致性。