采用分子动力学对α-SiO2晶体力学性能进行研究

摘要:应用分子动力学方法,通过大规模,并结合Tersoff势函数计算研究晶体材料的力学性能、结构转变以及物理特性。可将α-SiO2在常温单轴加载过程分成三个阶断,依次为:弹性变形、塑性变形以及断裂变形。其中屈服强度、断裂强度分别为22.6GPa和36GPa。随着温度的升高,α-SiO2的屈服强度和应变逐渐降低,晶体非晶化转变所需的屈服应变也逐渐降低,高温引起α-SiO2晶体的断裂应力和应变逐渐降低。

关键词: 分子动力学 力学性能 应力 晶体

α-SiO2在常温下具有稳定的晶体结构。目前针对α-SiO2的研究通常采用实验观测高压下非晶化的相变,如:王德军[1]研究了α-石英在高温高压下的结构转变,将α-石英在高温高压下合成了小尺度的柯石英;Palmer等[2]研究了α-SiO2在常温下的加压相变过程,得到了石英相变的规律;张广强等[3]通过机械球磨研究了α-SiO2在高温高压下的结构转变以及形成柯石英的实验条件;Dubrovinsky等[4]研究了α-SiO2的高压相变,得到了类似α-PbO2结构的石英相,当应力为25~35GPa时,发生非晶化转化,卸载压力后完全非晶化。近年来,应用分子动力学方法,通过大规模并行计算研究晶体材料的力学性能、结构转变以及物理特性已引起人们广泛关注[5-9]。如潘海波[10]通过分子动力学方法用Morse势模拟了α-SiO2的高压相变,结果表明,晶体在高于24.6GPa时发生非晶相变,其计算结果与实验结果相符。实验上通常采用加压(静水压)的方法研究石英α-SiO2的相变过程,随着计算材料的发展,应用分子动力学方法表征材料的力学特征已得到广泛应用。本文应用分子动力学方法研究α-SiO2在准静态应变加载下的力学性能,通过分析常温下应力应变曲线的变化,分析α-SiO2在常温下的力学性能,并考察温度对拉伸力学性能的影响规律。


1、模型和方法


1.1 模型


α-SiO2的晶体模型如图1所示。在SiO2中,硅位于正四面体中心,4个氧原子位于正四面体的4个顶角上,图1(A)表示SiO2在体心立方结构中的晶胞。根据笛卡尔坐标构建α-SiO2的晶体结构,如图1(B)所示。其中,xyz三个方向上的晶格常数分别为a=0.4978nm,b=0.4978nm,c=0.6948nm,盒子长度为30a 30b 30c,总原子数为324000个,在xyz三个方向上均采用周期性边界条件。


1.2 模拟方法


在分子动力学模拟过程中,先用Tersoff势函数[11]描述Si—O间的相互作用,再在NPT系综下,以时间步长1fs,用Nose-Hoover热浴方法在常温下进行弛豫,弛豫步数为10000步。模型弛豫过程中的能量变化如图2所示。由图2可见,晶体模型在10ps后达到平衡。在NVT系综下进行准静态单轴加载,加载的方式为应变加载,加载应变率为1 109/s,用Nose-Hoover热浴方法控制系统温度保持其在相应的温度条件下,分别模拟α-SiO2晶体在300,500,700,900K的拉伸力学性能。用LAMMPS代码[12]模拟α-SiO2晶体的力学性能。


图1α-SiO2的晶体模型;图2模型弛豫过程中的能量变化;图3α-SiO2在常温下拉伸的应力-应变曲线


2、结果与讨论


2.1 常温下应力-应变曲线分析


α-SiO2在常温下拉伸的应力-应变曲线如图3所示。应力-应变关系可反映材料的基本力学性能[13-16],由图3可见:随着应变的增加,α-SiO2晶体在应变为4.7%时出现弹性极限(图3中A点),且应力与应变呈非线性关系;A点后晶体进入弹性变形阶段,应力与应变呈线性关系;当应变为32.6%时,应力达到第一个屈服点,屈服应力为22.6GPa,与实验和理论结果一致[4,10];随后晶体进入塑性变形阶段,应力在B点和C点间振荡,纳米晶体发生非晶化相变;随着加载的进行,应力逐渐增加至峰值C点,α-SiO2晶体进入断裂阶段,断裂强度为36GPa.随着应变的增加,应力急剧下降为0,α-SiO2晶体完全断裂。即α-SiO2晶体在常温单轴拉伸过程中经历了弹性阶段、塑性阶段(非晶化相变)及断裂阶段。通过Hooke定律计算可得α-SiO2晶体的弹性模量为69GPa,因此,α-SiO2晶体的强度较高。


2.2 温度效应


α-SiO2晶体在不同温度下的应力-应变曲线如图4所示。由图4可见:屈服应力和屈服应变随温度的升高而降低,即α-SiO2晶体弹性变形阶段随温度升高而缩短,达到屈服强度所需的加载应变减小;弹性模量随温度的升高而逐渐降低。α-SiO2在不同温度下拉伸的力学参数列于表1.由表1可见:当α-SiO2晶体的加载温度由300K升高至500K时,α-SiO2晶体的弹性模量降低了2.29GPa;当温度由500K升高至700K时,弹性模量降低了1.34GPa;当温度由700K升高至900K时,弹性模量降低了1.26GPa.由于高温引起α-SiO2晶体弹性模量下降的辐度较小,因此高温仅略降低了α-SiO2晶体强度,对整体强度影响较小。


图4α-SiO2在不同温度下的应力-应变曲线;表1α-SiO2在不同温度下拉伸的力学参数;图5不同温度下断裂应力和应变的变化曲线


不同温度下断裂应力和应变的变化曲线如图5所示。由图5可见,随着温度的升高,断裂应力约从36GPa降低至29GPa,呈直线下降趋势。断裂应变随温度升高在下降过程中出现反弹,但整体呈下降趋势。因此,温度越高断裂应力和应变越低,α-SiO2晶体在高温单轴加载下易出现断裂。综上,本文采用分子动力学方法,结合Teroff势函数,模拟了α-SiO2晶体的力学性能,并研究了温度对α-SiO2力学性能的影响。


结果表明:α-SiO2在常温单轴加载过程中经历了弹性变形、塑性变形以及断裂变形3个阶段,其中屈服强度为22.6GPa,断裂强度为36GPa,在塑性变形阶段观察到α-SiO2从晶相向非晶转化的相变过程;随着温度的升高,α-SiO2的屈服强度和应变逐渐降低,晶体非晶化转变所需的屈服应变也逐渐降低,高温引起α-SiO2晶体的断裂应力和应变逐渐降低。

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投稿时间:2022-01-16  最后更新:2022-05-17

标签:动力学   晶体   弹性模量   力学性能   应力   常温   应变   强度   加载   温度   分子

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