Nature: 分子动力学模拟探测金属塑性极限

【背景介绍】

               

通常，金属的强度和塑性由晶格中的位错线缺陷限定，其运动导致材料沿着晶格平面的滑动。位错动力学模型通常用于原子动力学，这在计算的成本上是非常昂贵的。然而，原子模拟可以准确地捕获材料响应的每个可能的机制，解决原子运动的每一个“抖动和摆动”，而位错动力学模型则不能。

【成果简介】

北京时间2017年9月28日，Nature在线发表了美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Vasily V. Bulatov（通讯作者）等人题为“Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations”的文章，该团队在体心立方金属钽中展示了单晶可塑性的全动态原子模拟。其目标是量化达到脱位介导的塑性极限条件，并阐释金属超过这种限制会发生什么。在恒定压力，温度和应变速率的条件下，金属在其[001]晶轴的超高应变速率下被压缩。为了解决研究中长度尺度（85-340nm）和时间尺度（1ns-1μs）晶体可塑性过程的复杂性，本研究使用了最近开发的原位计算显微镜的方法将模拟中生成的大量瞬态轨迹数据重写为可以由人为分析的形式。通过模拟可以预测：在达到应变的某些限制条件时，单独的位错不再能够缓解机械载荷;相反另一种变形机制——通常称为变形孪晶，成为代替其动态响应的主要模式。在这个极限以下，只要其后的应变状态保持不变，金属呈现塑性流动与应变路径无关的稳定状态，其中流动应力和位错密度保持恒定。在这种状态下，钽流动如粘稠流体同时保持其晶格的强度。

【图文导读】

图1 压缩响应作为初始缺陷容量的函数

图2 压缩响应作为应变速率的函数

图3 压缩响应作为温度的函数

图4 与路径无关的稳定流动状态

图5 T=300K时的流动应力和位错密度

文献链接：Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations（Nature,2017,DOI:10.1038/nature23472）

本文由材料人学术组Allen供稿，材料牛整理编辑。