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计算材料科学 题目：用几个具体例子，说明塑性变形从宏观到微观的变形机理？ 答：材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材料恢复原状，这种变形是可逆的弹性变形。当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不可逆的塑性变形。 在金属材料的力学性能研究中，强度和塑性是两个最重要的问题,而强度和塑性本身对于不同层次的微观结构具有敏感性。由位错理论可知，晶体材料的塑性变形是位错运动的结果。位错是存在于晶体中的一种线缺陷，它在切应力作用下容易发生滑移。在外应力作用下，大量的位错运动会晶体产生宏观塑性变形。晶体中的空位、位错、晶界、固溶原子、第二相粒子等微观结构及缺陷与运动位错发生相互作用,影响位错运动，进而影响材料宏观变形行为。因此，解晶体材料的内在微观变形机制，对全面理解宏观力学性能至关重要。 所谓塑性变形，是指应力超过弹性极限后，材料发生的不可逆的永久变形。金属在发生塑性变形时，形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移来实现的。根据原子群移动所发生的条件和方式不同，而具有不同的变形机制。常温条件下，塑性变形的最主要机制是滑移和孪生。 滑移是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下，位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体的一部分相当于另一部分沿特定的晶面（即：滑移面）和晶向（即：滑移方向）产生相对位移，而不破坏晶体内部的原子排列规律的塑性变形方式，就是滑移。其中，滑移面通常是晶体内部原子的最密排面，这些面的面间距最大，面间的结合力最小；滑移方向是原子的最密排方向，在这些方向上原子间距最小，位错的柏氏矢量最小，滑移阻力也最小。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。一般来讲，滑移系越多，材料的塑性越好。三种典型金属晶格的主要滑移系中，面心和体心立方金属中滑移系数目较多，而密排六方金属滑移系数目少，所以面心和体心立方金属的塑性通常比密排六方金属好很多。 孪生是晶体塑性变形的另一种重要方式，常作为滑移不易发生时的补充变形机制。与滑移相似，孪生也使晶体发生切变。在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着特定的晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生均匀切变，使切变区域与未切变区域内的晶体结构在取向上呈镜面对称关系。孪晶形核所需要的临界剪切应力一般远大于滑移。例如镁晶体发生孪生变形时所需的临界剪切应力约为4.9~34.3MPa，而发生滑移时所需的临界分切应力仅为0.5~0.7MPa。因此，只有在滑移不易发生时，才可能由于应力累积而达到孪晶的形核条件。 分子动力学（Molecular Dynamics 简称MD）方法是一种通过计算微观多体原子的整体表现来得到凝聚物质宏观性质的方法。通过MD模拟，不仅可以像实验一样得到该系统的宏观力学、热学和电学等性质，还可以得到原子的运动细节，特别是许多在实验中无法得到的各种微观细节。因此，它是联系宏观尺度与微观尺度的重要工具。近年来MD模拟在力学、物理、化学及材料科学领域的研究中得到了广泛应用，MD模拟已经发展成为研究纳米尺度力学行为的重要手段，是对理论计算和实验的有力补充。 例1：高锰钢是含Mn在10%到30%的锰铁基钢铁材料，根据具体性能需求，加入Al、Si、C、Cr 等其它合金元素，广泛应用于汽车、军工、矿业领域。其最普遍的性能特点就是强韧结合，耐磨、无磁，其拥有这些优异性能的原因在于其异于其它钢种的塑性变形机制—孪晶诱导塑性变形，而其它元素，尤其是碳、氮等间隙原子的加入，又极大地改变了这些行为的外在表现，因此使得这类钢材不仅性能优异，而且性能多变，能适应不同的应用领域。 奥氏体钢的基体原子排布为FCC，为最密排结构，但是区别于另外一种最密排六方结构（HCP），它的原子周期性排列方方式为“ABCABCABC……”型，而密排六方为“ABABAB……”型，但是奥氏体高锰钢由于具备很低的层错能，这类材料的晶体结构很容易发生堆垛层错，即周期性排布中容易出现“ABCABABC”这样的结构非周期性错乱，这就导致了这类材料有很多的短程结构排布类似于密排六方的原子排布，而密排六方金属的塑性变形常以孪晶方式进行。事实上，以孪晶方式进行的塑性变形通常出现在滑移难以进行的情况下，例如滑移系少（密排六方）、变形量太大而无法继续以滑移的方式进行（高度变形的金属）的情况下、变形速率很大（冲击载荷） 而滑移来不及进行或引起滑移的临界分切应力来不及转到利于滑移的方向上、低温下（原子间结合力太大而无法滑移）等这些情况下才可以进行，而且孪晶造成的塑性变形量并不大，但是孪晶带来的晶体取向改变却在很多时候给滑移带来巨大的好处，使得原来不利于滑移的晶向开始滑移了。同时由于孪晶和位错、孪晶与孪晶以及它们