FCC晶体中位错环的分子动力学研究

【摘要】：计算机计算速度的提升和计算方法的发展,使人们越来越多应用分子动力学方法研究材料的性质。通过构建合理的原子间相互作用势(如对金属材料采用嵌入原子势),分子动力学模拟给出的金属材料力学和热力学性质与实验结果符合很好。分子动力学模拟可以细致追踪材料动态演化过程,提供清楚的动态演化图像,有利于分析材料的动态响应特征。本文关心的焦点是典型FCC金属材料铜中Frank位错环以及不全位错环的演化规律和力学特征。分子动力学程序采用并行程序LAMMPS,并利用背景网格技术和键对分析技术编写了处理效率较高处理能力较强的原子类型鉴别程序等一系列后处理程序。模拟工作开始之前,使用LAMMPS提供的金属铜EAM势参数定量计算了铜的平衡晶体常数、弹性常数以及堆垛层错能等,计算数值与实验数值符合很好。这说明LAMMPS中金属铜的EAM势参数可以很好描述铜原子间相互作用。零温下,FCC铜中Frank位错环的相关研究得出了一系列有意义的结果:不同大小和形状的Frank位错环能够形成的最终稳定构型不同,但都遵循统一的位错分解和反应规律,所有能够形成的最终稳定构型统称为类层错四面体;Frank位错环演化成类层错四面体的过程存在与位错环尺寸相关的两个现象——临界尺寸现象和振荡现象,文中详细分析了各种形状Frank位错环不能生长成类层错四面体的临界尺寸,细致分析表明大尺寸Frank位错环演化过程中存在振荡现象的原因是弹性波传播的延迟效应引起的位错段所受引力和斥力的时间不同步。有限温度下,不全位错环在自相互作用下收缩过程的研究结果表明:温度对位错环的迁移速度有明显影响,总体而言温度越高位错迁移速度越大;不同类型位错随温度的迁移速度变化率并不一致,一般而言,低温下0K-50K时,刃型位错和螺型位错迁移速度变化率基本一致,迁移速度基本相同。高温下50K-100K时,刃型位错具有较大的迁移速度变化率,迁移速度大于螺型位错:150K-350K时不全位错环自收缩过程中伴随新位错产生与脱体,脱体位错的产生揭示了一种不同于传统Frank-Read位错源机制的热激发位错源机制。温度引起的位错核展宽和局部应力导致的新位错脱体分离的共同作用是新的不全位错环产生的内在原因。文中第二章和第三章分别简要介绍了晶体位错理论和分子动力学理论的基础知识,相关复杂公式推导、位错构型构造方法和后处理方法等内容以附录形式置于正文之后。

【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009

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