Modeling Of Mechanical Properties And Destruction Process Of Al/Cu Nanocomposites

Vakhrushev A.V., Fedotov A.Y., Lekontsev A.T.


The purpose of this work is to carry out molecular dynamic simulation of uniaxial tension of the cooled down Al/Cu composition. The software program LAMMPS that includes the classic code of the molecular dynamics was used for calculations. The software program Ovito was used for visualization; it has a great variety of functions, thus allowing the user to investigate the obtained results thoroughly. In order to describe the atomic interaction in Al/Cu nanocomposite, the potential EAM of the submerged atom was used. The choice of the potential is explained by its adequate describing and reproducing the properties of a wide class of materials, including metals, semiconductors and alloys. The simulation was carried out in two stages. At the first stage the sample consisting of two crystallites of aluminum and copper as parallelepipeds connected along one of their joinable boundaries was placed in the design area and cooled down at constant pressure. Cooling down was made for stabilization of the nanosystem. At the second stage that corresponded to deformation, the temperature and pressure were changed in accordance with the current physical processes. In order to control the temperature and pressure at the primary stage of cooling down the algorithm of the Nose-Hoover thermostat and barostat was applied.

The paper presents the character of distribution of longitudinal stresses along the whole volume of the crystal within the tension process. When the specimen reaches the elasticity limit, the emergency of defects of the crystal lattice and their distribution along the crystal as displacements and rotations of atoms in crystalline planes were observed. Areas of emergency of plastic deformations were determined. The maximum material fracture took place along the boundary line. By means of the molecular dynamic simulation the parameters of Al/Cu composition (deformation, temperature, mechanical stress) were dynamically studied. The comparison of the specimen characteristics during deformation was made. Multiple processes take place in the material under loading, which include emergency of defects, elastic and plastic deformations, and generation of damages with atom restructuring.


deformation, simulation, molecular dynamics, potential of the submerged atom, defects, nanocomposites, dislocations, mechanical characteristics

Full Text


PDF (Русский)
References References

Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей / С. В. Панин, А. В. Коваль, Г. В. Трусова, Ю. И. Почивалов, О. В. Сизова // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3, № 2. С. 99–115.

Физическая мезомеханика и молекулярно-динамическое моделирование / И. Ф. Головнев, Е. И. Головнева, А. А. Конев, В. М. Фомин // Физическая мезомеханика. 1998. №. 2. С. 21–33.

Скворцов Ю. В. Механика композиционных материалов: учеб.-метод. пособие. Самара : СГАУ, 2013. 94 с.

Влияние микроструктуры материала на динамическую пластичность и прочность: молекулярно–динамическое моделирование / П. А. Жиляев, А. Ю. Куксин, Г. Э. Норман, С. В. Стариков, В. В. Стегайлов, А. В. Янилкин // Физико-химическая кинетика в газовой механике. 2010. Т. 9, № 1. С. 104–109.

Болеста, А. В., Головнев И. Ф., Фомин В. М. Молекулярно-динамическое моделирование квазистатического растяжения композиции AL/Ni вдоль границы раздела // Физическая мезомеханика. 2002. № 4. С. 15–21.

Канель Г. И., Фортов В. Е., Разоренов С. В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177, № 8. С. 809–830.

Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М. : Наука, 2001. 478 с.

Панин В. Е., Елсукова Т. Ф., Гриняев Ю. В. Механизм влияния величины зерна на сопротивление деформированию поликристаллов в концепции структурных уровней деформации твёрдых тел. Часть I. Необходимость учета мезоскопических структурных уровней деформации при анализе уравнения Холла – Петча // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6, № 3. С. 63–74.

Persson B.N.J., Bucher F., Chiaia B. Elastic contact between randomly rough surfaces: comparison of theory with numerical results // Phys. Rev. 2002. V. B65, Issue 18. P. 184106.1–7.

Iordanoff I., Berthier Y. First steps for a rheological model for the solid third body // Tribology Series. 1999. Vol. 36. Pp. 551-559.

Применение метода динамики частиц для описания высокоскоростного разрушения твердых тел / А. М. Кривцов, И. Б. Волковец, П. В. Ткачев, В. А. Цаплин // Математика, механика и информатика – 2002 : тр. Всерос. конф. 2002. C. 361–377.

Веденеев С. И. Квантовые осцилляции в трёх-мерных топологических изоляторах // Успехи физических наук. 2017. № 187. С. 411–429.

Бег Ф., Пужоль П., Рамазашвили Р. Идентификация двумерных антиферромагнитных топологических изоляторов класса Z2 // ЖЭТФ. 2018. Т. 153, вып. 1. С. 108–126.

Vakhrushev A.V., Fedotov A. Y., Shushkov A. A. Calculation of the Elastic Parameters of Composite Materials Based on Nanoparticles Using Multilevel Models // Nanostructures, Nanomaterials, and Nanotechnologies to Nanoindustry. New Jersey: Apple Academic Press, 2014. Chapter 4. P. 51-70.

Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A. Modeling of processes of composite nanoparticle formation by the molecular dynamics technique. Part 1. Structure of composite nanoparticles // Nanomechanics Science and Technology. An International Journal. 2011. Vol. 2, Issue 1. Pp. 9-38.

Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A. Modeling of processes of composite nanoparticle formation by the molecular dynamics technique. Part 2. Probabilistic laws of nanoparticle characteristics // Na-nomechanics Science and Technology. An International Journal. 2011. Vol. 2, Issue 1. Pp. 39-54.

Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик нанобъектов и композиционных материалов на их основе / А. В. Вахрушев, А. Ю. Федотов, А. А. Вахрушев, А. А. Шушков, А. В. Шушков // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 4. С. 486–495.

Вахрушев А. В., Федотов А. Ю. Исследование вероятностных законов распределения структурных характеристик наночастиц, моделируемых методом молекулярной динамики // Вычислительная механика сплошных сред. 2009. Т. 2, № 2. С. 14–21.

Daw M. S., Baskes M. I. Embedded–Atom Method: Derivation and Application to Impurities, Surfaces, and Other Defects in Metals // Physical Review B. 1984. Vol. 29, Issue 12. Pp. 6443–6453.

Foiles S. M., Baskes M. I., Daw M. S. Embedded - atom method function for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33, Issue 13. Pp. 7983-7991.

Hoover W. Canonical Dynamics: Equilibrium Phase–Space Distributions // Physical Review A. 1985. Vol. 31, Issue 3. Pp. 1695-1697.


Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Вахрушев А.В., Федотов А.Ю., Леконцев А.Т.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN 1813-7911