铝中形变孪晶形成临界条件的多尺度模拟研究

Traditional experimental results proved that coarse-grain pure aluminum (Al) cannot form deformation twins, only dislocation slip. However, recently, nanocrystalline Al has been detected to form deformation twinning during plastic deformation. Therefore, deformation twinning shows a strong size effect. My previous simulation results provide a theoretical support, that is, if a full dislocation generation has been restricted under a certain loading condition, it is possible to form deformation twins by overlapping stacking faults in neighboring parallel partial dislocations with the same Burgers vector；because the energy barrier to form unparallel partial dislocations is higher than that to parallel ones. In this project, using multiscale quasicontiuum and molecular dynamics methods, we will give an in-depth investigation to the mechanism of deformation twinning associated with grain size, shape，orientation and loading condition to identify a critical condition of twin formation, which would lead us to control deformation twinning formation and better understand nanostructrual materials.

传统实验下晶粒粗化的纯铝中，塑性变形的机制只包含位错滑移而没有形变孪晶；而在纳米晶下，塑性变形机制可以是形变孪晶。由此表明铝中形变孪晶的产生带有明显的晶界尺寸效应。结合之前的科研成果，即在控制加载方式来限制全位错产生的条件下，通过相同肖克莱不全位错并排产生、滑移、层错重叠的机制形成形变孪晶；其原因为形成非并排不全位错的能垒高于形成并排不全位错的能垒。本次申请的课题，将运用多尺度准连续模拟结合分子动力学的方法，深入研究晶粒尺寸、形状、取向、加载方式对全位错形成的限制能力，进而得出形变孪晶形成的临界条件；最后希望本次研究成果可以更好的控制在实验条件下产生铝孪晶结构，扩展理解低维纳米结构材料中独特的变形机制。

纳米级缺陷会显著地影响材料的力学性能。本研究采用多尺度准连续（QC）方法分别研究铝单晶体薄膜上纳米表面微凸体和内部纳米孔洞几何因素对薄膜塑性初始阶段的影响，及其位错响应机制和形变孪晶的形成规律。. 首先，研究纳米压痕作用在铝薄膜(001)表面单个纳米微凸体时，其几何形貌对薄膜初始塑性的影响规律。结果显示，相较于平坦表面，微凸体的存在显著地降低了薄膜的屈服应力。对于矩形微凸体，横纵比对薄膜应力的影响不大；在横纵比> 1.414 时，进一步加载后的应力响应变化不大，力降点对应半位错形核，它与已有的半位错并排排列，逐渐形成形变孪晶。对于梯形微凸体，随着底角（α）增大，屈服应力降低，尤其是≥54.7度。这可能是由于α的增加，侧表面的面指数逐渐由α=0度的{001}，经过α=54.7度的{111}，转变为α=90度的{110}，所对应的表面能不同所致。研究发现，在纳米尺度、限制全位错形成条件下，铝中容易形成孪晶结构。这些微凸体的力学行为对深入理解材料摩擦、磨损等性能和设计微纳米机电器件有很大帮助。. 其次，研究纳米压痕作用在含纳米孔铝薄膜 (001) 表面时，孔洞的深度、尺寸和形状对薄膜初始塑性的影响。结果显示，薄膜中纳米孔洞的存在对其 Indentation 模量和屈服应力有影响，尤其是当孔洞在表面附近时。当压头尺寸大于孔洞直径时，Indentation模量和屈服应力均随孔洞深度 (H) 的增加而增大。存在临界深度 (H0)，屈服点对应‘y’位错形貌；当H>H0时，模量和屈服应力收敛。研究发现，Indentation模量随圆形孔洞半径 (R) 的增加几乎呈线性降低，但屈服应力受R的影响不大。对于椭圆形孔洞，当长径比（AR）>1时，Indentation模量基本不受AR变化的影响；但随着AR进一步减小，模量显著地降低。研究还发现，当R保持不变时，H0和压头尺寸呈线性关系。这些结果对纳米多孔材料的设计起到了理论支撑的作用。 . 本项目还支持课题组“颗粒复合体显微组织设计” 课题，通过改变颗粒的类型、粒度等因素，优化复合材料的力学性能。已研究陶瓷颗粒表面化学镀铜的最佳工艺和不同类型陶瓷颗粒混合强化铁基复合材料性能。