《鋁中形變孿晶形成臨界條件的多尺度模擬研究》是依託東北大學，由金劍鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋁中形變孿晶形成臨界條件的多尺度模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：金劍鋒
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
傳統實驗下晶粒粗化的純鋁中，塑性變形的機制只包含位錯滑移而沒有形變孿晶；而在納米晶下，塑性變形機制可以是形變孿晶。由此表明鋁中形變孿晶的產生帶有明顯的晶界尺寸效應。結合之前的科研成果，即在控制載入方式來限制全位錯產生的條件下，通過相同肖克萊不全位錯並排產生、滑移、層錯重疊的機制形成形變孿晶；其原因為形成非並排不全位錯的能壘高於形成並排不全位錯的能壘。本次申請的課題，將運用多尺度準連續模擬結合分子動力學的方法，深入研究晶粒尺寸、形狀、取向、載入方式對全位錯形成的限制能力，進而得出形變孿晶形成的臨界條件；最後希望本次研究成果可以更好的控制在實驗條件下產生鋁孿晶結構，擴展理解低維納米結構材料中獨特的變形機制。
結題摘要
納米級缺陷會顯著地影響材料的力學性能。本研究採用多尺度準連續（QC）方法分別研究鋁單晶體薄膜上納米表面微凸體和內部納米孔洞幾何因素對薄膜塑性初始階段的影響，及其位錯回響機制和形變孿晶的形成規律。 首先，研究納米壓痕作用在鋁薄膜(001)表面單個納米微凸體時，其幾何形貌對薄膜初始塑性的影響規律。結果顯示，相較於平坦表面，微凸體的存在顯著地降低了薄膜的屈服應力。對於矩形微凸體，橫縱比對薄膜應力的影響不大；在橫縱比＞ 1.414 時，進一步載入後的應力回響變化不大，力降點對應半位錯形核，它與已有的半位錯並排排列，逐漸形成形變孿晶。對於梯形微凸體，隨著底角（α）增大，屈服應力降低，尤其是≥54.7度。這可能是由於α的增加，側表面的面指數逐漸由α=0度的{001}，經過α=54.7度的{111}，轉變為α=90度的{110}，所對應的表面能不同所致。研究發現，在納米尺度、限制全位錯形成條件下，鋁中容易形成孿晶結構。這些微凸體的力學行為對深入理解材料摩擦、磨損等性能和設計微納米機電器件有很大幫助。 其次，研究納米壓痕作用在含納米孔鋁薄膜 (001) 表面時，孔洞的深度、尺寸和形狀對薄膜初始塑性的影響。結果顯示，薄膜中納米孔洞的存在對其 Indentation 模量和屈服應力有影響，尤其是當孔洞在表面附近時。當壓頭尺寸大於孔洞直徑時，Indentation模量和屈服應力均隨孔洞深度 (H) 的增加而增大。存在臨界深度 (H0)，屈服點對應‘y’位錯形貌；當H＞H0時，模量和屈服應力收斂。研究發現，Indentation模量隨圓形孔洞半徑 (R) 的增加幾乎呈線性降低，但屈服應力受R的影響不大。對於橢圓形孔洞，當長徑比（AR）＞1時，Indentation模量基本不受AR變化的影響；但隨著AR進一步減小，模量顯著地降低。研究還發現，當R保持不變時，H0和壓頭尺寸呈線性關係。這些結果對納米多孔材料的設計起到了理論支撐的作用。 本項目還支持課題組“顆粒複合體顯微組織設計” 課題，通過改變顆粒的類型、粒度等因素，最佳化複合材料的力學性能。已研究陶瓷顆粒表面化學鍍銅的最佳工藝和不同類型陶瓷顆粒混合強化鐵基複合材料性能。
