初始微观结构缺陷和断裂的温度依赖及相关性

纳米线(NW)结构内的微观结构缺陷对NW的机械性能存在一定的影响.NW断裂位置的预测关系着纳米器件应用的寿命,进而引起了人们的广泛关注.在本工作中,基于统计分析,分别研究了单晶铜纳米线(CuNW)拉伸过程中出现的断裂位置以及在应力屈服点处产生的初始微观结构缺陷(初始缺陷)的位置对温度的依赖性,进一步探究了两者之间的联系.利用分子动力学(MD)模拟了单晶Cu NW在20～300 K的温度范围内的拉伸状态,共包含6个体系,各温度体系包含300个独立的样本.基于机器学习,采用 density-based spatial clustering of applications with noise(DBSCAN)算法,将 hexagonal close-packed(hicp)原子划分为各个初始缺陷以进一步确定其位置.统计结果显示,当温度低于50 K时,初始缺陷的位置集中在NW的两端.随着模拟温度的上升,MD模拟结果展现了单晶Cu NW的拉伸过程中的杨氏模量、平均屈服应力、平均势能等机械性能对温度的依赖性.温度的升高进一步促使了更多初始缺陷的产生,并使得初始缺陷的位置由统计分布的两端向中间平均化.与初始缺陷相比,各温度下的断裂位置集中在两端.统计结果表明,模拟的温度范围对NW的断裂位置无明显影响,但对初始缺陷的产生具有明显影响.当温度低于100 K时,初始缺陷的位置分布与断裂位置分布呈现了一致性.由于两者具有不同的温度依赖,其差异随着温度的上升逐渐显现.对不同温度下的微观结构形变行为观察发现,断裂失效明显受到NW两端的表面效应和阻挡效应的影响.最终的断裂位置受塑性形变中后期的影响,与应力屈服区产生的初始缺陷无直接联系.