4.4不同温度下的应力-应变曲线 31

结论 34

致谢 35

参考文献 36

1 绪论

1.1课题研究目的及意义

地壳中存在含量较多的元素依次是氧、硅、铝、铁，铁排第四位。含铁量丰富的铁矿有赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿和磁铁矿。炼铁高炉通常采用的原材料是铁矿石和石炭石，燃料主要为焦炭。纯铁主要是通过纯氧化铁被氢气还原从而生成。生铁（或铸铁）是指铁中含有2.11%以上的碳，熟铁或锻铁中含碳量在0.02%以下，钢的含碳量在0.02-2.11%之间。生铁具有较高的硬度，但塑性不好；钢的弹性较好；熟铁塑性好，易于加工。人类发现和使用铁，极大地促进了人类社会历史的发展和进步，人类社会进入铁器时代，是人类文明史上的一个重要里程碑。现如今作为人类现代社会工业的基础并促使人类发展所不可或缺的材料依然是铁，铁依然发挥着不可替代的作用。

分子动力学（MD）模拟方法是一种能够将微观世界的单个原子或分子运动与宏观世界的晶体运动状态相互联结的模拟方法，能够利用其计算出10-9秒量级之内在nm尺度上的金属材料原子尺度动力学特性，是反映超短时间内金属材料瞬时过程微观原子量级演化的有效手段

[1]。从国内外扩展的分子动力学模拟研究中可观察得出结论,由于分子动力学模拟具有沟通材料宏观特性和微观结构这一重要作用,能够对于一些很难解释的现象做出比较恰当的微观解释。因而利用MD进行塑性加工的微观范畴的新问题将会是国际上研究机构新的研究热点，我们十分需要进行这一领域的研究。

本课题用分子动力学模拟通用程序Lammps分别模拟计算二维周期性边界条件和三维周期性边界条件下的多晶bcc-Fe的拉伸过程，在模拟的过程中必须构建具有差异的边界条件下的多晶结构的原子模型，在原子尺度上模拟材料在拉伸过程中的微观结构变化，考察不同条件下拉伸过程中的原子尺度结构变化，用图表分析总结相关计算结果。通过本课题的工作，掌握分子动力学模拟计算的基本思想和方法，理解晶界等概念，能够在原子尺度上建立用于计算机模拟的多晶晶界模型，并通过原子尺度的模拟，直观地认识原子尺度的微观结构变化过程，感受数值模拟在材料科学中的运用，总结和深化对于相关的材料学知识的认识。

1.2 晶体的晶界模型

1.2.1 晶体的界面结构

晶界根据晶界角大小的不同可以分为小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界是指两相邻晶粒位向差θ在10°以下，而大角度晶界是指两相邻晶粒位向差θ大于或等于10°。小角度晶界通常可分为2种类型，分为倾斜晶界(tiltboundary)和扭转晶界(twistboundary)，两种晶界示意图如图1.1所示。位错模型能够用来描述小角度晶界的结构，倾侧晶界可看作是由一组相隔一定间距的刃位错所形成，倾斜晶界的特点是，把位于晶界一边的晶体围绕倾转轴反向旋转θ角度后，则倾转轴两边晶体的点阵能够百分百重合，而一系列螺位错通过某种排布方式可以形成扭转晶界。

图1.1 晶体中两种晶界的结构示意图

1.2.2重合位置点阵(CSL模型)

重合位置点阵模型是目前材料领域内最为重要的用来描述大角度晶界的一种模型。重合点阵晶界的定义是，彼此靠近的两部分晶体绕着某一个旋转轴，旋转到一定程度后，两晶粒中的部分原子处于对称的位置，晶粒边界上的某些原子同时归相邻两个晶粒所有，如图1.2所示。和孪晶界一样，重合点阵晶界的晶界能量很低，结构能够稳定存在。同时由于材料具有向能量降低的方向发展的趋势，当晶界具有相对高的能量时，晶界原子会产生刚性松弛的现象，因此处于重合点阵晶界上的这些原子的位置可能不会固定，有发生偏移的可能性[2]。 多晶铁金属拉伸过程的原子模拟(2):http://www.chuibin.com/wuli/lunwen_205275.html