摘 要

镁及镁合金密度较小，与塑料相近，刚度强度不亚于铝，又具有比强度和减振性高、抗磁性好等优点，应用十分广泛，同时镁及其合金在加工过程中易出现表面缺陷，研究缺陷对材料力学行为的影响具有重要意义。本文通过建立具有表面缺陷的镁纳米柱模型，模拟单轴压缩载荷作用下的塑性变形过程，得到相应的能量演化曲线、应力-应变曲线及微观结构演化过程；分析不同类型的表面缺陷对镁纳米柱塑性变形行为的影响，最后结合模拟结果和相关实验和理论研究结果，结合屈服应力、杨氏模量、流动应力等宏观力学指标，研究表面缺陷对镁纳米柱塑性变形行为的影响及内在微观机理。

关键字： 镁纳米柱、塑性变形、表面缺陷、微观机理

在FGM制备过程中，容易产生缺陷。本文以Ti-Cu-W梯度飞片为研究对象，采用数值模拟研究方式，探测了其界面层厚度。

Abstract

在FGM制备过程中，容易产生缺陷。本文以Ti-Cu-W梯度飞片为研究对象，采用数值模拟研究方式，探测了其界面层厚度。

The density of magnesium and magnesium alloy is small, which is similar to plastic, and the stiffness and strength of them is not less than that of aluminum, but also has advantages such as high specific strength and vibration damping,good diamagnetism ,the application of them is very extensive, at the same time, magnesium and its alloys are prone to have surface defects in the processing process , The study of the defects on material mechanical behavior has important significance. In this paper, Mg nanopillars with surface defects were simulated to study the plastic deformation bahaviors under uniaxial compression. The corresponding energy evolution curve, stress - strain curve and microstructure evolution process were obtained. The influence of different types surface defects for plastic deformation behaviors of Mg nanopillars was studied. finally ,to conclude simulation results and the experimental and theoretical results, combined with the yield stress, Young's modulus, flow stress and other macro mechanical parameters,so as to study the influence of surface defects on the plastic deformation behavior of Mg nanopillars and the internal micro mechanism.

综合分析实验数据，表面波和底波的时间差基本相同，为4.2e-6。模型总厚度为10mm。通过与理论值的对比分析看，LS-DYNA能很好地捕捉到波的传播特性，对界面层厚度测量准确。

Keyword: Mg nanopillar, plastic deformation, surface defects, molecular dynamics

目 录

第1章 绪论 1

1.1 镁及镁合金应用概述 1

1.2 分子动力学概述 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 本文研究的目的和主要内容 2

第2章 理论基础 3

2.1 分子动力学理论及其发展 3

2.2 分子动力学模拟的主要技术 3

2.2.1势函数与有限差分法 4

2.2.2初始条件与边界条件 5

2.2.3系综的分类及其调控 5

2.3开源程序软件LAMMPS概述 5

2.4 Origin和Atomeye软件概述 6

第3章 含表面缺陷镁纳米柱变形行为的模拟 8

3.1含方形表面缺陷镁纳米柱在c轴压缩载荷下的模拟 8

3.1.1模型建立及模拟过程 8

3.1.2应力—应变曲线分析 8

3.1.3微观结构演化过程 9

3.2表面椭圆形缺陷镁纳米柱在c轴压缩载荷下的模拟 11

3.2.1模型建立及模拟过程 11

3.2.2应力—应变曲线分析 12

3.2.3微观结构演化过程 13

3.3结果分析 14

第四章 结论与展望 15

4.1主要结论 15

4.2本文特色与创新之处 15

4.3未来发展与展望 16

参考文献 17

致 谢 18

第1章 绪论

1.1 镁及镁合金应用概述

镁元素在地球上储量极为丰富，镁及镁合金密度较小，与塑料相近，刚度强度较高，不亚于铝，同时具有比强度和减振性高、抗磁性好等优点，因此是一种非常理想的现代工业结构材料，近些年，镁及镁合金研究已取得重要进展，镁及镁合金成为了应用于轻型结构的优良材料，在汽车，电子工业、光学仪器，计算机制造业、航空航天等多个领域都有很大希望能得到广泛的应用^[1,2]。然而镁合金属于密排六方晶体结构，25℃时晶格常数为：a=0.3202nm，c=0.5199nm，c/a=1.6237与面心立方和体心立方结构金属相比，这种材料内部存在的独立滑移系相对较少，室温下延展性差、加工性能差，其内在的塑性变形机制较为复杂，人们对其塑性变形行为的认识还相当有限，另外，镁及镁合金在加工及应用过程中表面容易出现缺陷，表面缺陷的存在对又镁及镁合金的变形行为产生了一定的影响，进而在一定程度上也限制了其加工和应用。因此对镁及镁合金，特别是对有一定表面缺陷的镁及镁合金样品的塑性变形行为开展相关研究十分必要。

1.2 分子动力学概述

随着现代技术的不断发展，人们的生产生活对材料性能的要求不断增高，对材料力学性能的研究与改善也越来越深入，由此将材料微观结构变化与宏观性能的关联相结合的方法已经发展成为材料科学材料研究中一个重要的研究方向，分子动力学就是正是一种在微观尺度上研究材料各方面性能的有力且有效的手段^[3-5]。采用分子动力学理论结合计算机模拟技术，能够模拟各类实验过程从而做到在相对较高的精确程度上对物质材料的内部的演化过程状况进行研究。目前分子动力学研究方法已经发展成为一种研究微纳尺度材料力学性能及形变机制的重要工具，也成为了实验和理论计算的又一有力补充。

1.3 国内外研究现状

经大量研究发现，镁及镁合金的塑性变形机制比较复杂，近年来，人们对镁及镁合金的塑性变形机制展开了了大量研究，其中镁单晶纳米柱不同滑移、孪晶系统的激活条件、产生机制等都是研究的重要方向^[6-11]。有研究者为了探究了镁[0001]和[011]单晶中的变形模式将计算机模拟与实验做对比，研究了不同应变率下单晶镁纳米柱的孪晶和基面滑移的形核机制。探究结果如下：在应力为1400~1700Mpa,应变率为10^-3s^-1的情况下，[0001]方向的变形出现了拉压孪晶。并且只有在应力大于1700Mpa以下的情况下，才能稳定显示出孪晶形核。这一过程中没有重纳米孪晶出现的迹象，并且孪晶增长速率非常快(400ms^-1)这些结果没有支持最近提出的重纳米孪晶的形成机制。在实验应变速率下，有一个EAM势，出现了拉压不对称性，[011]方向的变形在拉应力为1000~1300Mpa,或压应力670~900Mpa下出现了基面的位错成核。当纳米柱尺寸在5~10nm之间，可以观察到尺寸效应，这可以归因于表面的压力效应促使成核，并且当实验纳米柱尺寸在200nm以上时，这两者将没有联系。总的来说，大多数可以观察到的变形机制反映了实验中发现的压力水平，即使外推到实验应变率，仍远高于微纳米柱实验中的应力水平，这预示着实验样本的变形是由已存在的位错运动控制的，或者与表面缺陷引起的大的应力集中有关。

随着研究的深入，有研究者通过对镁及镁合金的塑性变形机制的研究，发现其存在很强的尺寸依赖性。例如，Kelly和Hosford等对宏观尺度镁单晶进行了c轴拉伸和压缩载荷作用下的变形过程研究，发现拉伸载荷作用下会形成变形孪晶，压缩载荷作用下会形成孪晶。然而，近年来，大量微纳米尺度下的c轴压缩实验表明，在c轴压缩载荷作用下，主要的变形机制是位错运动，而不是孪晶的形核^[8]。

1.4 本文研究的目的和主要内容

本文以镁纳米柱研究对象，采用分子动力学方法模拟单向压缩载荷作用下的塑性变形过程，旨在研究表面缺陷对镁纳米柱塑性变形的影响。