近年來，沈陽材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部王紹青研究組成功將準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法應(yīng)用于晶界相關(guān)的納米金屬力學(xué)行為模擬，在材料力學(xué)性質(zhì)多尺度計(jì)算模擬方面取得了一系列進(jìn)展。他們通過準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法模擬了納米多晶鋁的壓痕實(shí)驗(yàn)過程，觀察到了五重對(duì)稱變形孿晶的形成。采用粗?；植繎?yīng)力算法，計(jì)算了該五重孿晶形成過程中模型內(nèi)部原子級(jí)的應(yīng)力場(chǎng)分布。進(jìn)一步的應(yīng)力分析結(jié)果表明，材料內(nèi)部高局部應(yīng)力位置的變化是五重對(duì)稱變形孿晶形成的重要條件。其中，一段低指數(shù)非對(duì)稱晶界在該五重孿晶的形成過程中起到了重要作用，它將高靜水應(yīng)力局限在壓頭下方幾個(gè)晶粒的區(qū)域內(nèi)，并且造成位錯(cuò)反射，從而形成了該五重對(duì)稱變形孿晶中的第一條孿晶界。該模擬結(jié)果可對(duì)近期電鏡實(shí)驗(yàn)觀察到的納米金屬中五次對(duì)稱變形孿晶的形成原因給出較合理的解釋。此前他人采用純雙晶模型對(duì)這類特殊晶界已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，然而卻沒有與具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)。五重孿晶的模擬結(jié)果說明了以這種特殊晶界為代表的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)行為的重要影響。該項(xiàng)工作的系列研究成果現(xiàn)已相繼發(fā)表在Scripta Materialia(Y. F. Shao, S. Q. Wang, Scripta Mater. 62, 419 (2010) ) 等學(xué)術(shù)刊物上。
此外，他們還研究了納米多晶鎳的本征斷裂行為。模擬結(jié)果表明裂紋前端晶界處的細(xì)微孔洞承受強(qiáng)烈的張應(yīng)力并促使裂紋沿晶界擴(kuò)展。這種晶界主導(dǎo)的裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致材料在經(jīng)過有限的塑性應(yīng)變之后發(fā)生脆性斷裂，從而限制了其在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。采用兩種不同的鎳嵌入原子勢(shì)函數(shù)，他們進(jìn)一步研究了提高材料拉伸塑性的微觀機(jī)制和納米晶體中斷裂行為的脆-韌性轉(zhuǎn)變。研究表明非穩(wěn)堆垛層錯(cuò)能的降低可以強(qiáng)化晶界的位錯(cuò)發(fā)射行為，因而是促使材料塑性提高的重要因素。
納米材料宏觀力學(xué)行為往往與離散缺陷的萌生與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，其變形機(jī)制可能會(huì)跨越多個(gè)時(shí)間和空間尺度。多尺度模擬方法可將同一材料不同時(shí)空尺度上的力學(xué)行為有機(jī)地聯(lián)系起來。與傳統(tǒng)模擬方法相比，多尺度方法在晶體彈性與塑性行為分析研究方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，在通常分子動(dòng)力學(xué)模擬中的晶粒尺寸僅為幾納米或幾十納米，而典型的準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度模擬方法(The Quasicontinuum Method)已成功實(shí)現(xiàn)模擬尺寸為1 m3量級(jí)的晶粒彈塑性變形過程。盡管十余年來多尺度模擬技術(shù)已經(jīng)得到很大發(fā)展，但研究者大多致力于計(jì)算方法的開發(fā)與完善。研究對(duì)象基本上局限于不考慮晶界的簡(jiǎn)單模型。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明晶粒界面對(duì)材料的力學(xué)行為有著重要影響，采用多尺度計(jì)算模擬方法研究界面在固體材料力學(xué)行為中的作用非常必要。
此研究工作得到了科技部“973”項(xiàng)目的資助。
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五重對(duì)稱變形孿晶形成過程
