纳米铜力学行为的分子动力学模拟

纳米铜力学行为的分子动力学模拟 摘要本文基于Nosé-Hoover等温分子动力学和Parrinello-Rahman等应力分子动力学的扩展系统方法，推导了一种可同时调节温度、应力的分子动力学，并给出了相应Verlet速度形式的差分解法。针对本文具体的模拟对象，对上面一般形式的等温等应力分子动力学给出了简化形式。数值测试结果表明该等温等应力分子动力学收敛速度快、稳定性好。 本文提出了原子应力、原子弹性常数的物理意义。根据前人成果，系统地推导了有限温度下原子应力、原子弹性常数的一般表达式和镶嵌原子法框架具体表达形式。原子应力具有能量密度的物理意义。原子应力、原子弹性常数包含了原子动量流和原子间作用力的贡献。如果只考虑原子间作用力的影响，原子应力等于该原子在周围邻域原子合成张量力场中的势能密度，原子弹性常数等于发生单位应变时原子在邻域原子合成力场中势能密度的增量。原子应力反映了原子产生运动的潜在能力，原子弹性常数则表示了原子产生运动的难易程度。此外，我们给出了具有宏观应力意义的原子等效微元体应力，结果发现等效微元体应力的体积平均值即为原子应力。 本文模拟了零温时纳米铜丝的力学性能。 由于表面效应，纳米铜丝内部存在自相平衡的本征应力。这种本征应力使纳米丝产生明显的泊松效应。纳米铜丝表面原子弹性常数存在畸变。纳米铜丝具有极高的拉伸强度。纳米铜丝一旦产生位错、形成表面台阶后，由于台阶处容易产生位错，故纳米铜丝屈服后的强度大大降低。滑移和孪晶是纳米铜丝的塑性变形机制。纳米铜丝的尺寸效应显著。截面尺寸增大，纳米铜丝的强度减小、初始弹性模量软化程度减弱。 本文模拟了零温时纳米多晶铜的力学性能。构造了符合实际物理特征的纳米多晶铜数值模型。零温弛豫态下，分析了纳米多晶铜的径向分布函数、原子能量、原子体积、原子配位数、以及原子静水压力。纳米多晶铜的零温拉伸模拟表明：纳米多晶铜具有良好的塑性，拉伸时没有出现应变硬化现象；反Hall-Petch现象是纳米多晶铜的本质特性；纳米多晶铜的塑性变形主要来源于晶界滑移、晶粒旋转；晶粒内部少量的位错活动对整体塑性发展的贡献极为有限；拉伸初期晶粒内部位错活动有增强的趋势，但随着变形的发展，位错密度迅速趋于饱和；粒径越小，晶粒位错活动越少。