纳米铝杆拉伸过程的分子动力学模拟

　　1引言
　　材料性能随尺度的改变发生变化。微器件尺寸微小、比表面大，其性能与宏观材料明显不同，例如更少的缺陷、更高的强度、表面效应显著等。为了能够设计、制造微机械，我们必须深入了解这些微机械的力学行为。面分子动力学则成为了一个有力的工具，分子动力学模拟具有沟通宏观特性与微观特性的作用，对于许多在理论分析和实验观察上都难以说明的现象可以作出一定的解释。
　　国内外在晶体力学行为的分子动力学模拟方面开展了许多工作。研究了缺陷对单层石墨烯断裂强度的影响。Uuo等研究了在脆性断裂时所呈现出的裂纹陷阱效应以及裂纹扩展和钝化行为。Cao等研究了晶界效应对Cu纳米线与五次孪晶Cu纳米线中塑性形变和断裂机制的影响。吴恒安叫研究了金属纳米杆的受压稳定性。梁海弋等研究了表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响。
　　本文主要应用基于EAM势的分子动力学方法对纳米单晶铝杆在外载荷作用下的原子滑移、位错等形变行为做相关现象分析和研究。
　　2模型细节
　　本次模拟的核心是对各个模型施加外载荷，拉伸或压缩，研究不同温度时其在外载荷下的微构变化，分析其形变行为。需要指出的是，给定的原子位置只是理想的面心立方结构，并不一定是它的平衡位置。为了模拟的理想化，在每次施加外力之前都先让模型弛豫一段时间，这里每次的弛豫时间均为5000个时间步长，之后，对上下两个施力面的每一个原子都施加沿2轴的2e7ergcm恒力。
　　3模拟结果及比较分析
　　3。1常温下（300K）沿方向拉伸
　　纳米铝杆在拉伸过程中，沿轴有明显的扭转，在拉断之后扭转部分又慢慢恢复了过来。晶体在滑移的同时伴随着沿外力方向的扭转，这表明纳米单晶铝杆在外力作用下，必然发生了原子滑移。
　　此过程的平均原子势能随分子动力学时间步变化的曲线。观察发现在自由弛豫阶段（05000步）有下降趋势，到5000步降到最低，从5000步开始施力以后，随时间步增加势能曲线开始上升，到10000步达到最高后又开始下降。这是因为施加外力后，原子间距纵向增加，横向收缩，原子位置偏离势能最低点，所以断裂前势能一直呈上升趋势。到10000步时铝杆被拉断，势能最高。在这之后，断开的两部分自由收缩弛豫，对应势能的又一次下降。
　　观察发现，势能曲线在上升过程中有两处明显的抖动，为方便起见，这里所示原子只是所关心的中间部分即纳米铝杆的原子。观察对应的时间步（分别为7000步和8500步）的纳米铝杆原子形态。看到滑移刚好在势能曲线首次突然下降的地方（即对应的时间步）开始产生，此时由位错产生的滑移面己很明显，它刚好是面心立方的最密排面，即（111）面。为明显起见，做了标示（图中灰色部分即是）。正是这种滑移使纳米铝杆的整体势能有了突然下降，这表明滑移是为了平衡外应力的结果。纳米铝杆正是通过这样的滑移产生塑性变形，从滑移的地方开始变细，接着被拉断的。滑移前势能曲线有个尖峰表明滑移要越过势垒。
　　3。2低温下（3K）沿晶向的拉伸
　　温度对纳米铝杆在拉伸过程中的塑性变形影响很大。在初始结构，边界条件，自由驰豫及施力情况都与上面一致的情况下，只把温度T由300K调为3K。发现纳米铝杆在低温下沿晶向拉伸时有明显的脆性。从5000步开始施力，在10000步之前拉伸的过程中，纳米铝杆表面上并没有明显的变化，到10000步时突然从上端接近施力面的部位的表面出现位错，接着从出现位错的地方开始滑移，直至完全断开。
　　断裂的整个过程。在这一过程中它并没有像在300K下拉伸时那样出现明显的转动，直观上看出了温度对纳米铝杆拉伸性能的影响是十分显著的。下面将进一步从势能曲线的变化深入分析产生这种变化的原因。
　　从势能曲线可以看出，从7000步开始势能曲线一直光滑上升，到11000步达到最高后曲线首次突然下降，纳米铝杆在对应时间步刚好沿111巨110滑移系开始出现滑移。
　　这里的滑移沿四个面都有，它只显示了其中的一个滑移面和另一个滑移面的侧面。在这之后，继续拉伸，沿滑移面的小规模滑移使势能曲线接着下降。然后，单靠滑移不能抵抗外力对纳米铝杆的作用，势能曲线又一次上升，直到16500步中b所指处被完全拉断。
　　低温下，位错克服势垒比较难，造成了拉伸过程中位错传播受到阻碍，难以通过滑移降低纳米铝杆的整体势能，所以在首次突然滑移之前系统积累了大量势能，在3K下平均原子势能在10000步首次滑移之前己经达到最高（箭头a所指）以后直到断开也没有再次超过它。在出现滑移后就释放大量势能，然后断裂，表现为脆性断裂。300K下沿晶向拉伸时的势能随时间步的变化则不一样，它在拉伸过程因为滑移在a处首次下降之后，又一次上升，直到10000步上下两部分完全断开时才达到最大。
　　3。3高温下（800K）沿晶向的拉伸
　　同时，在其它条件不变的情况下，还与800K高温下沿晶向的拉伸作了比较。发现随着温度的升高沿晶向拉伸时，表现为塑性增强。可以看到纳米铝杆被拉的很细很长，表现为很好的塑性。在这一过程中，纳米铝杆基本是被均匀拉长的，没有明显的沿某个晶面的滑移。对应的平均原子势能曲线整体上并没有很明显的突然下降，尽管由于温度较高面波动比较多，这反映了高温下产生滑移的位错很容易进行，没有像低温下那样面明显的势能的积累。
　　上述三种模拟都是在其它条件完全一样，包括外力大小也一样，温度分别为3k，300k，800k下进行双向拉伸的。发现温度确实对纳米铝杆的变形影响很大。实际上，温度本质上影响了拉伸过程中纳米铝杆位错的传播和滑移的难易程度，进面影响整体势能的变化趋势，反映在平均原子势能曲线的变化趋势上。由于是同一个模型，纳米铝杆的原子数都是一样的，所以纳米铝杆整体势能与平均原子势能的变化趋势一样的。三种不同温度下的平均原子势能曲线图的对比可以明显看出来温度对拉伸过程中单晶纳米铝杆整体势能变化趋势的影响。
　　上面主要研究了沿向拉伸时，纳米铝杆在常温（300K），低温（3K）和高温（800K）三种不同温度下的变形行为。通过对比，发现纳米铝杆在低温下表现有脆性增强的趋势。
　　4结论
　　主要结合平均原子势能曲线研究了单晶纳米铝杆在不同温度下（3K，300K和800K）沿晶向的拉伸性能。发现了不同温度对纳米铝杆拉伸性能的影响和纳米铝杆沿不同晶向拉伸性能的差异性。发现单晶纳米铝杆在沿晶向拉伸时在低温下表现为脆性断裂，随着温度升高，塑性增强。