多晶银纳米线拉伸变形的分子动力学模拟研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 1 (2014) 016201 多晶银纳米线拉伸变形的分子动力学模拟研究 袁林 敬鹏 刘艳华 徐振海 单德彬 郭斌 (哈尔滨工业大学材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001) ( 2013 年8 月4 日收到; 2013 年8 月30 日收到修改稿) 纳米尺度金属Ag 以其独特的导电和导热性, 广泛应用于微电子、光电子学、催化等领域, 特别是在纳米 微电极和纳米器件方面的应用. 本文采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下多晶银纳米线的拉伸变形 行为, 详细分析了晶粒尺寸对多晶银纳米线弹性模量、屈服强度、塑性变形机理的影响. 发现当晶粒尺寸小于 13.49 nm 时, 多晶Ag 纳米线呈现软化现象, 出现反Hall-Petch 关系, 此时的塑性变形机理主要以晶界滑移、 晶粒转动为主, 变形后期形成五重孪晶; 当晶粒尺寸大于13.49 nm 时, 塑性变形以位错滑移为主, 变形后期产 生大量的孪晶组织. 关键词: 分子动力学, 银纳米线, 晶界, 塑性变形机理 PACS: 62.20.F–, 62.23.Hj, 87.10.Tf DOI: 10.7498/aps.63.016201 小的晶粒尺寸时某些金属呈现软化现象. 但是, 由 1 引 言 于制备高质量的纳米晶材料难度非常大, 这种猜测 尚未得到证实, 纳米尺度材料的强度与晶粒尺寸的 纳米尺度金属Ag 以其独特的导电和导热性, 3 关系尚不明确 . 分子动力学模拟是研究纳米晶金 广泛应用于微电子、光电子学、催化等领域, 特别是 属强有力的工具, 诸如温度、应变速率、晶粒尺寸等 在纳米微电极和纳米器件方面的应用. 此外, 金属 对纳米晶材料性能的影响, 都可以通过分子动力学 的塑性变形机理可以解释材料强度与塑性的实质, 模拟得出4 . 以探讨强化金属材料的方法和途径; 另一方面可以 纳米晶材料与粗晶材料的主要区别在于晶界 为工程实际中的塑性变形问题提供重要的线索和 原子所占的比例, 纳米晶材料的晶界原子占全部原 参考, 作为改进工艺或提高加工质量的依据. 因而 子的很大一部分. 所以相对于粗晶材料的晶内活动 研究纳米尺度金属Ag 的塑性变形机理将具有重要 的意义. 主导机理来说, 纳米晶材料的主要塑性变形机理将 在传统的粗晶材料中, 主要的塑性变形机理是 会改变, 晶间变形机理比例增大5 . 在晶粒尺寸较 位错滑移. 粗晶材料的加工硬化现象也是由位错的 小时, 晶粒内部由于尺寸的限制几乎不能形成位错 运动导致的. 位错运动至晶界处, 被晶界阻碍, 进 源, 只能从晶界发射, 最终位错贯穿整个晶粒; 在 1 晶粒尺寸较大时, 晶界变形和位错滑移同时起作 而塞积, 造成应力集中, 产生宏观上的硬化现象 . 随着金属晶粒尺寸的减小, 金属的屈服强度和硬度 用. 所以多晶纳米线的塑性变形相对于单晶来说复