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双晶铜晶界能及其结构稳定性的分子动力学模拟

作　者: 刘渊
导　师: 杨森
学　校: 南京理工大学
专　业: 材料学
关键词: 晶界能晶界工程双晶铜分子动力学结构稳定性拉伸退火
分类号: TG142.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

金属以多晶材料形式得到广泛应用,而多晶材料的晶界一直是材料学领域的重大问题。晶界是一种面缺陷,存在晶界能,并且有向低能态转化的趋势。因此,晶界有不同于晶粒内部的特性,甚至会改变材料的宏观性能。实验上可以通过形变热处理工艺控制晶界的特征分布,改善材料的性能—晶界工程。但是,晶界工程优化晶界分布的微观机制目前仍不清楚。随着计算机模拟技术的发展,计算材料学作为一门新兴学科,被广泛用于材料微观结构方面的研究。分子动力学就是其中一种重要方法,它能通过原子运动演化过程揭示微观结构变化及其内在机理。本文采用分子动力学方法首先计算了不同双晶铜晶界的静态能量,然后模拟了几种典型双晶铜晶界的拉伸和退火过程,并对其中晶界的演变机制以及结构稳定性做了详细分析。模拟结果表明：(1)晶界能处于局部能量最小值的都是具有低∑值的重合位置点阵晶界,(111)-Σ3-twist晶界是晶界能计算结果中能量最低的晶界构型；(2)(111)-E3-twist晶界应力和应变极限均最高,力学性能最优异。只有(111)-E3-twist晶界在最终拉断的状态下,晶界依然保持完整,断裂发生在晶粒内部,是拉伸过程中稳定性最好的晶界结构；(3)模拟加热得到双晶铜的熔点为1355K,含有晶界的双晶铜熔点更加接近实验值。以1355K为依据,确定了模拟退火温度为1250K。退火中,除(111)-∑3-twist晶界外,其他晶界均出现了不同程度的预熔现象。退火后大部分晶界结构均发生了改变,只有(111)-E3-twist晶界能够完全回复到初始状态,是本次模拟退火中最稳定的晶界构型。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 晶界与晶界工程概述  11-17
    1.1.1 晶界的分类及重合位置点阵理论  11-13
    1.1.2 晶界工程概述  13-15
    1.1.3 晶界工程微观机制的局限性  15-17
  1.2 分子动力学应用现状  17-21
    1.2.1 计算材料学  17-19
    1.2.2 分子动力学晶界相关研究现状  19-21
  1.3. 本文研究的意义、目的及内容  21-23
2 分子动力学理论及双晶铜计算模型  23-37
  2.1 牛顿运动方程  23
  2.2 运动方程的数值解法  23-26
    2.2.1 Verlet算法  24-25
    2.2.2 预测-矫正(Gear)算法  25-26
  2.3 分子动力学模拟的系综和控制方法  26-29
    2.3.1 系综的分类  26-28
    2.3.2 系统约束的方法  28-29
  2.4 原子间相互作用—势函数  29-32
    2.4.1 两体势  30
    2.4.2 嵌入原子势(EAM)  30-32
  2.5 周期性边界条件  32-33
  2.6 双晶铜计算模型建立及计算手段条件  33-36
    2.6.1 双晶铜模型建立  33-34
    2.6.2 计算软件及模型参数设置  34
    2.6.3 建模过程中需要说明的问题  34-36
  2.7 本章小结  36-37
3 纳米双晶铜的静态晶界能量计算  37-47
  3.1 引言  37
  3.2 能量最小化—静态弛豫  37-38
  3.3 晶界运动—静态弛豫的物理解释  38-39
  3.4 计算结果与分析  39-46
    3.4.1 晶界能量随取向角的变化关系  39-41
    3.4.2 晶界原子构型图分析  41-44
    3.4.3 小角度晶界能量连续性证明  44-46
  3.5 本章小结  46-47
4 双晶铜拉伸的分子动力学模拟  47-62
  4.1 引言  47
  4.2 双晶模型拉伸参数设置  47
  4.3 应力应变曲线分析  47-51
    4.3.1 应力应变曲线结果  48-50
    4.3.2 力学性能对比  50-51
  4.4 能量-应变曲线分析  51-54
    4.4.1 能量-应变曲线结果  52-53
    4.4.2 双晶铜拉伸的能量解释  53-54
  4.5 原子构型分析  54-59
    4.5.1 中心对称系数  54-55
    4.5.2 双晶铜拉伸原子构型分析  55-59
  4.6 双晶铜拉伸的实验验证  59-60
  4.7 本章小结  60-62
5 模拟退火对纳米双晶铜晶界稳定性的影响  62-74
  5.1 引言  62
  5.2 模拟退火的研究手段  62-63
    5.2.1 径向分布函数  62-63
    5.2.2 模拟退火  63
  5.3 通过加热试验确定温度上限  63-66
    5.3.1 单晶铜熔点的确定  64
    5.3.2 双晶铜熔点的确定  64-66
    5.3.3 晶界的引入对材料熔点的影响  66
  5.4 温度对不同晶界稳定性的影响  66-72
    5.4.1 模拟退火的原子构型分析  67-69
    5.4.2 退火工艺的能量释放机制  69-70
    5.4.3 晶界预熔的微观机制  70-71
    5.4.4 晶界稳定性对比  71-72
  5.5 本章小结  72-74
6 总结与展望  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-84
附录  84

双晶铜晶界能及其结构稳定性的分子动力学模拟

内容摘要

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