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纳米晶金属材料的纳米划痕过程的分子动力学模拟

纳米晶材料较大的晶界密度使其具有优异的力学和物理化学性能，晶界密度的变化也决定了不同的塑性变形机制。然而，fcc-Fe纳米晶多晶材料划擦过程中晶界和塑性变形的原子尺度信息还十分匮乏。我们采用元原子势函数和分子动力学方法研究了压痕和晶粒尺寸对fcc-Fe纳米晶多晶材料划擦塑性变形行为的影响。压痕过程中观察到被晶界限制在晶粒内部的位错、层错和孪晶。MSG为2.05 nm的模型接触应力最小，为9.26 GPa。MSG为8.71 nm的模型接触应力最大，为11.67 GPa。晶粒尺寸细化后，强度降低，即反Hall-Petch效应。划擦磨损体积随压痕尺寸增加而增加。塑性变形为主时，磨损体积随MGS的减小，先增大后减小。压痕深度3 nm下MGS为4.08 nm的模型磨损体积最大，为1068.4 nm³。随着压痕深度的增加，磨损系数K也逐渐增大。压痕深度不变时，晶粒尺寸对K影响较小。摩擦力和法向力(包括增量)随着压痕深度的增大而增大。晶粒尺寸适中的模型可以保持较大的摩擦力和法向力增量的“加速度”。压痕深度1 nm以上后，S_vM收敛30 GPa左右，其值约为压痕接触应力(收敛于10 GPa左右)的3倍。剪切强度与SvM的比值约为0.577，符合von Mises屈服准则。层错的边界基本上为1/6<112>Shockley不全位错。压头和划痕附近以Shockley不全位错为主。随着MGS减小到4.08 nm，压痕下方1/6<110>压杆位错明显增多，晶界处存在1/3<100>Hirth位错，有利于提高基体的强度。MGS为2.05 nm时，位错数量增加，但都是被晶界限制的短位错，没有长直的压杆位错。这可能是Hall-Petch breakdown的原因。晶粒细化后，划擦过程中位错数量增加，都是被晶界限制的短位错，没有长直的压杆位错。超细晶粒多晶模型中剪切应变沿晶界分布，不同于较粗晶粒模型中的三角形和锯齿状分布。较粗晶粒模型划擦后晶粒中的部分原子发生晶体取向变化。细晶粒模型中可以观察到整个晶粒取向的变化，及更多更明显的晶粒转动。随着晶粒尺寸减小，塑性变形机制的变化导致了Hall-Petch强度(位错介导)和反Hall-Petch软化(晶界滑动)之间的交叉。金属表面的反Hall-Petch软化有利于实现低摩擦和磨损。本研究的结果可以为纳米晶多晶材料的设计、机加工和性能预测提供理论依据。