[论文解读] Simulations of mechanics and structure of nanomaterials --- from nanoscale to coarser scales

Jakob Schiøtz, Tejs Vegge+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 1998

Microstructure and mechanical properties参考文献 67被引用 3

一句话总结

本文提出了一套多尺度模拟框架，用于研究纳米材料中的力学行为，重点聚焦于纳米晶铜。通过原子尺度模拟，揭示了在晶粒尺寸小于15 nm时晶界主导变形，导致软化效应，与传统的Hall-Petch关系相反，并提出了通过分层建模方法将原子尺度动力学与粗尺度力学相连接的方法。

ABSTRACT

We discuss how simulations of mechanical properties of materials require descriptions at many different length scales --- from the nanoscale where an atomic description is appropriate, through a mesoscale where dislocation based descriptions may be useful, to macroscopic length scales. In some materials, such as nanocrystalline metals, the range of length scales is compressed and a polycrystalline material may be simulated at the atomic scale. The first part of the paper describes such simulations of nanocrystalline copper. We observe how the grain boundaries contribute actively to the deformation. At grain sizes below 10-15 nm deformation in the grain boundaries dominate over the traditional dislocation-based deformation mechanisms. This results in a reversal of the normal grain size dependence of the yield stress: we observe that the material becomes softer when the grain size is reduced. The second part of the paper gives an overview over simulation techniques appropriate for problems too large to be treated in atomic-scale simulations, and how they can be combined to describe the interplay between phenomena at different length scales through multiscale modelling.

研究动机与目标

• 研究原子尺度和介观尺度下纳米晶材料的力学响应。
• 理解超细晶金属中从位错主导到晶界主导变形的转变机制。
• 开发并展示一种将原子尺度模拟与粗尺度力学行为相连接的多尺度建模策略。
• 识别纳米晶体系中屈服应力的尺度依赖性，超越经典尺度定律。

提出的方法

• 采用分子动力学模拟，对晶粒尺寸低于15 nm的纳米晶铜进行建模。
• 通过追踪位错活动和晶界运动，分析原子尺度的变形机制。
• 提出一种分层多尺度方法，结合原子尺度、位错基和连续介质层次的描述。
• 利用模拟框架探究晶界结构与力学响应之间的相互作用。
• 通过系统改变晶粒尺寸，验证非经典力学行为的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 晶粒尺寸低于15 nm时，如何影响纳米晶铜中主导的变形机制？
• RQ2 晶界在超细晶材料塑性变形中起到了多大程度的贡献？
• RQ3 为何纳米晶金属的屈服应力随晶粒尺寸减小而降低，与Hall-Petch效应相反？
• RQ4 哪些多尺度建模技术能有效连接原子尺度动力学与宏观力学行为？

主要发现

• 在晶粒尺寸低于10–15 nm的纳米晶铜中，晶界滑移和扩散成为主导的变形机制。
• 屈服应力随晶粒尺寸减小而降低，表明经典Hall-Petch强化效应发生反转。
• 由于位错迁移率和储存能力受限，超细晶样品中的位错介导塑性被抑制。
• 晶界通过结构重排和扩散主动参与塑性变形，以适应应变。
• 本研究证明了将原子尺度模拟与介观模型相结合，可在多个尺度上捕捉力学行为的可行性。