1、由于具有諸多優(yōu)異的特性，晶粒尺寸處于納米量級的納米晶材料近年來引起廣泛的關注，然而較差的斷裂韌性制約了它的工程應用。眾所周知，與粗晶材料由晶內(nèi)位錯主導的塑性變形機制不同，納米晶材料的塑性變形由晶界相關機制主導。研究不同加載條件下納米晶材料的開裂和耦合晶界運動，對于深化納米晶材料增韌和變形機理的認知、推動納米晶材料的優(yōu)化設計和改進，具有重要的學術意義和應用價值。本文采用分子動力學方法，圍繞梯度納米晶材料的開裂行為，以及單調(diào)和循環(huán)剪切加載條

2、件下納米晶的耦合晶界運動響應開展了研究，取得的主要創(chuàng)新性研究成果如下：
　?。?）研究了具有不同晶粒尺寸梯度分布的納米晶材料在單調(diào)拉伸載荷作用下的裂紋擴展行為。分析發(fā)現(xiàn)，具有較大晶粒尺寸梯度的納米晶試樣不僅可以調(diào)動更多的原子來抵抗開裂，而且其開裂模式也會從沿晶開裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚ч_裂，因此具有較強的抵抗裂紋擴展的能力。與之相反，具有均勻分布的晶粒尺寸和較小晶粒尺寸梯度的納米晶材料表現(xiàn)出沿晶開裂行為。通過原子構型演化觀察、Schmid因子

3、計算、缺陷原子比例分數(shù)統(tǒng)計、能量耗散分析和應力強度因子計算，分析了開裂現(xiàn)象背后的內(nèi)在物理機制。
　?。?）模擬了單調(diào)剪切載荷作用下納米晶的耦合晶界運動。與雙晶中耦合晶界運動不同，納米晶中耦合晶界運動由于受到三叉晶界的釘扎作用而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在晶界運動過程中，納米晶中的有序晶界結構通過基本結構單元轉(zhuǎn)變的方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結構。耦合晶界運動的兩個組成部分法向遷移和切向運動，在變形過程中同時萌生和飽和。雖然晶界法向遷移和晶界切向運動都會

4、受到晶粒尺寸的顯著影響，但是耦合因子受晶粒尺寸的影響卻很小。此外，還分析了材料和溫度對納米晶耦合晶界運動的影響。
　　（3）研究了受循環(huán)載荷作用的納米晶的變形行為和晶界響應，在受循環(huán)剪切載荷作用的納米晶中首次觀察到晶界遷移滯回現(xiàn)象。在循環(huán)載荷作用下，晶界中間段的基本結構單元轉(zhuǎn)變是可逆的，而晶界兩端從三叉晶界開始的有序結構單元卻不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結構。無序晶界的長度和殘余晶界遷移位移隨著循環(huán)應變變程的增大而增大。當整個晶界都轉(zhuǎn)變?yōu)闊o

5、序結構時，晶界遷移滯回現(xiàn)象會隨之消失。因此循環(huán)載荷對晶界遷移行為的影響有著累積的疲勞效應。除晶界運動以外，在卸載過程中還發(fā)現(xiàn)了位錯回撤和由局部應力反向引起的位錯萌生。
　　（4）將最大應變和應變幅作為表征循環(huán)載荷特性的兩個參量，分析了它們對納米晶中耦合晶界運動的影響。當應變幅固定時，無序晶界的長度隨著剪切應變的增大而單調(diào)增長，并最終導致晶界遷移滯回行為的消失。當最大應變固定在較小的應變時，晶界脫節(jié)的萌生、運動和塞積幾乎不會受到位錯