摘 要

镁及其合金密度较小，并且具有较高的比强度和良好的导电性及阻尼减震性能，应用前景十分广泛。但是其有限的变形能力和低抗腐蚀性的特点阻碍了它的发展。因此对其变形机制的研究有着较为深远的意义。

本文采用分子动力学的方法对纳米镁单晶在压缩载荷作用下的变形过程进行模拟。采用理想镁单晶结构模型，选取EAM格式的势函数来描述原子间作用力。通过对模拟计算得到的能量演化曲线、应力-应变曲线及微观结构演化过程等进行详细分析，研究压缩载荷作用下纳米镁单晶的塑性变形规律及内在缺陷演化机制，得出温度影响了镁的弹性模量，并且随着温度增加，镁单晶的结构更容易产生缺陷。

关键词：温度，力学性能，应力-应变

Abstract

Magnesium and its alloy have low density，high specific strength，good conductivity and damping shock absorption performance. Hence, their application prospects are very broad. But its limited deformation capacity and low corrosion resistance characteristics hinder their wide application. Hence, the study of their deformation mechanism has a far-reaching significance.

In this paper, magnesium nanopillars under compression were simulated by molecular dynamics method, and EAM potential was used. Through the detailed analysis of the energy evolution curve, the stress-strain curve and the microstructure evolution process, the plastic deformation mechanism and the internal defect evolution mechanism of the single crystal under the compression load are studied, and the influence of the temperature on the magnesium elastic modulus. Besides, with the increase in temperature, magnesium single crystal structure is more prone to defects.

Keywords：temperature, mechanical properties, stress-strain

目录

第1章引言 1

1.1研究背景 1

1.2 密排六方结构 1

1.3密排六方的滑移与孪生 2

1.4镁单晶的塑性变形机制 3

第2章分子动力学原理及运用 5

2.1分子动力学原理 5

2.1.1 分子动力学的有限差分法 5

2.1.2势函数 6

2.1.3初始条件与边界条件 7

2.1.4系综的分类和调控 7

2.2 LAMMPS 软件介绍 7

2.3 后处理软件-Atomeye介绍 8

2.3.1对原子模型的操作 9

第3章温度对镁单晶压缩变形行为及力学性能的影响的研究 10

3.1 0.01K下镁单晶的压缩变形行为及力学性能 10

3.1.1模型的建立与模拟 10

3.1.2模拟结果分析 10

3.1.3小结 13

3.2 1K下镁单晶的压缩变形行为及力学性能 13

3.2.1模型的建立与模拟 13

3.2.2模拟结果分析 13

3.2.3小结 15

3.3 100K下镁单晶的压缩变形行为及力学性能 15

3.3.1 模型的建立与模拟 15

3.3.2模拟结果分析 15

3.3.3 小结 17

3.4 300 K下镁单晶的压缩变形行为及力学性能 17

3.4.1模型的建立与模拟 17

3.4.2模拟结果分析 17

3.4.3 小结 19

3.5 500 K下镁单晶的压缩变形行为及力学性能 20

3.5.1模型的建立与模拟 20

3.5.2模拟结果分析 20

3.5.3小结 21

3.6 700K下镁单晶的压缩变形行为及力学性能 22

3.6.1 模型的建立与模拟 22

3.6.2模拟结果分析 22

3.6.3小结 23

第4章总结与展望 24

4.1总结 24

4.2展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章引言

1.1研究背景

镁及其合金具有比强度高，密度低，导电性能优良，阻尼减震性能良好等特点^[1]，越来越多地应用到汽车，航空，军工等工业上^[2]。同时由于其重要的环保性能，镁及其合金常被誉为“21世纪新型绿色材料”。

无论是生产中，还是生活中，镁及其合金的身影处处可见。在医疗方面，可以用来治疗缺镁和痉挛；在工业方面，可以用来航空航天设备的制造等。国内外越来越将之应用到汽车行业，从而减重、保护环境。同时，镁也是核工业上的结构材料或包装材料。由此看来，镁在我们的生活中正扮演着重要的角色。

然而，镁及其合金也存在一些不可忽视的不足，例如其变形能力有限抗腐蚀性低以及在高温度下，力学性能较差。这些缺点限制了镁及其合金的使用，其内在的潜质还没有被完全发掘，还不能在工业生产中完全替代钢铁及其他合金的位置。同时，对于镁的研究，仍存在一些盲区，实际的应用中仍然有很多问题亟待解决，例如其变形能力有限和抗腐蚀性低等特点。材料专家Cahn也说“在如今的材料领域，只有镁的潜质与现实不太匹配”^[3]。

1.2 密排六方结构

密排六方结构是原子排列中的一种密排结构。密排六方结构单元结构中有6个原子，配位数是12，致密度为0.74。上底面和下底面是其最密排面，其堆垛次序为ABABAB...，两层是一个周期^[4]，如图1所示。

图1：密排六方结构

密排六方结构中，底面的边长为a，上底面与下底面之间的距离为c。通常把c/a称为轴比。理想的密排六方结构的轴比是1.633，镁单晶晶胞1.623的轴比与之十分接近，是较为理想的密排六方结构。

在标定密排六方结构的晶面和晶向时，四轴Miller-Brawais指数^[5]能够更好的显示其对称性，从而避免了三轴Miller不能很好表达对称性的不足。通过四轴Miller-Brawais指数，可以用一个晶面族来表示晶体中有相同特点且原子分布规律和排列顺序相同的等同晶面，符号为｛hkil｝。如基面为（0001）面，｛hkil｝面为柱面，且垂直于基面。

1.3密排六方的滑移与孪生

从现有的结论来看，典型的密排六方晶体纯镁晶体的主要塑性变形机制为基面滑移、柱面滑移、锥面滑移与孪生。图2示中表示了几种常见的滑移。