摘要
梯度纳米结构材料近几年开始获得广泛关注，这是对金属表面纳米化处理后引申得到的概念，即晶粒尺寸在空间上由小到大逐渐增加，这种纳米结构能有效增强材料性能。本文利用分子动力学仿真方法研究了梯度纳米结构多晶铜的变形机理，仿真内容包括单轴拉伸和疲劳拉伸模拟。 单轴拉伸的仿真发现梯度纳米结构多晶铜在拉伸时具有独特的应力分布，高应力区域为类似三角形的“金字塔”形状，这种受力形态能够协调大晶粒和小晶粒，避免应力局部化并抑制裂纹的产生；通过对比不同晶粒尺寸分布的梯度模型，发现当晶粒尺寸呈线性变化时材料的强度极限较高；通过改变最大晶粒尺寸，发现最大晶粒尺寸(20nm)是最小晶粒尺寸(5nm)的4倍时模型有较高的强度极限和伸长率，当最大晶粒尺寸(16nm)减小到最小晶粒的3.2倍时，梯度结构抵抗拉伸变形的能力急剧下降； 在疲劳拉伸循环的仿真中，梯度纳米结构多晶铜模型能有效缓解应力集中，抑制裂纹萌生，延长材料疲劳寿命，普通结构多晶铜疲劳寿命相对较短，失效时裂纹扩展迅速同时伴有位错出现。 总之，本次仿真证明梯度纳米结构多晶铜在强度极限、伸长率和疲劳寿命方面都明显优于普通结构多晶铜，通过观察和分析变形机理，发现影响因素主要是梯度结构模型的受力特点，即有效避免应力局部化，实现整体受力，这与实际实验结果相吻合。
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