微壓痕尺度效應(yīng)中幾個問題的離散位錯模擬研究.pdf

1、近年來，微機(jī)電系統(tǒng)和微納米器件呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢。不同于傳統(tǒng)的大型結(jié)構(gòu)，微機(jī)電系統(tǒng)中構(gòu)件的主導(dǎo)尺寸一般處在微米及以下量級。隨著材料和結(jié)構(gòu)特征尺寸的減小，材料的力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的尺度相關(guān)性。傳統(tǒng)的尺度無關(guān)力學(xué)理論在解決微型構(gòu)件的安全設(shè)計和可靠性評價時常常失效。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，迫切需要深入理解微尺度下材料力學(xué)行為及其內(nèi)在機(jī)理，發(fā)展相應(yīng)的微尺度力學(xué)測試方法，構(gòu)建尺度相關(guān)力學(xué)理論，以便為各種微型構(gòu)件的安全設(shè)計和可靠性評定提供理論和技

2、術(shù)支持。
　　 在過去的二十余年里，幾種微觀力學(xué)實(shí)驗，包括微拉壓、微彎曲、微扭轉(zhuǎn)和微壓痕等，被大量地用來測量材料在微納米尺度下的力學(xué)行為。當(dāng)試樣的尺寸下降到微米及以下量級時，設(shè)計微拉壓、微彎曲、微扭轉(zhuǎn)實(shí)驗中的夾持裝置變得十分困難和昂貴。與這些微觀實(shí)驗方法相比，微壓痕實(shí)驗操作相對簡單，適應(yīng)面寬，已被廣泛用來測量微米以及納米尺度下材料的力學(xué)行為，包括彈性模量、屈服應(yīng)力、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等。然而，影響微/納米壓痕尺度效應(yīng)的因素十分復(fù)雜，包

3、括壓頭幾何（形狀和大小）、材料性質(zhì)（微結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)性、軟硬等）、表面特征（表面粗糙度、表面能等）等多個因素。有關(guān)壓痕尺度效應(yīng)及相應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理雖已開展了較多的研究，但與壓痕微尺度相關(guān)的一些深層次問題仍未解決。
　　 本文基于Van der Giessen和Needleman (1995)提出的二維離散位錯動力學(xué)模擬框架，通過與ANSYS?軟件的接觸算法相結(jié)合，開發(fā)了二維半無限大平面壓痕離散位錯動力學(xué)計算程序。在此基礎(chǔ)上，利用該程序

4、，對多晶、微柱、金屬基復(fù)合材料以及薄膜/基體系統(tǒng)等微結(jié)構(gòu)和材料在微米壓頭作用下的微尺度效應(yīng)及其離散位錯機(jī)理開展了較深入的研究，得到了如下主要結(jié)果：
　　 1、對于微米多晶材料，晶粒尺寸和圓形壓頭半徑對微壓痕的塑性變形有顯著影響。(1)在相同的壓痕深度下，壓痕壓力和硬度隨著晶粒尺寸和壓頭半徑的減小而增大。(2)壓痕壓力取決于壓頭相對于晶界的位置。當(dāng)壓頭靠近晶界時，壓痕壓力明顯增大。(3)在此基礎(chǔ)上，建立了壓痕硬度與晶粒大小、壓頭半

5、徑之間的經(jīng)驗公式，該式與計算結(jié)果符合良好。
　　 2、單晶微柱的壓縮顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺度效應(yīng)。由于基座和剛性壓頭的約束作用，微柱的尺度效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于微柱幾何（寬度、高寬比、錐度）和滑移面取向角等多種因素。計算表明：至少有位錯滑出機(jī)制和端部約束兩個重要機(jī)制影響單晶微柱的微尺度效應(yīng)。通常情況下，對于細(xì)長型微柱，由于大量的滑移面與微柱側(cè)面相交，位錯滑出機(jī)制占優(yōu)，壓縮應(yīng)力～應(yīng)變曲線硬化率較低；而對于矮胖型微柱，由于大量滑移面與微柱端部相交

6、，端部對位錯的阻礙作用機(jī)制占優(yōu)，壓縮應(yīng)力～應(yīng)變曲線硬化率較高；如果兩種機(jī)制共同存在時，微柱尺度效應(yīng)將變得十分復(fù)雜。
　　 3、對于顆粒呈簡單周期性排列的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，顆粒尺寸和壓頭位置對其壓痕的尺度效應(yīng)有顯著影響。當(dāng)顆粒的體積百分較大時，由于顆粒對位錯的強(qiáng)烈阻礙作用，壓痕硬度總是隨顆粒尺寸的減小而增大。然而，當(dāng)顆粒體積百分比較低時，由于顆粒的周期性排布，壓痕硬度隨顆粒尺寸的變化變得非常復(fù)雜。一般來說，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部

7、顆粒的排布有利于位錯自由滑移帶形成和發(fā)展時，壓痕硬度顯著降低，反之亦然。
　　 4、對于薄膜/基體系統(tǒng)，薄膜壓痕的硬度依賴于壓痕深度、壓頭半徑和薄膜厚度。(1)由于基體對位錯的約束作用，在同樣壓痕深度 下，薄膜厚度 越小，壓力 明顯增加；(2)壓痕下的位錯分布與薄膜厚度密切相關(guān)，當(dāng)薄膜厚度較小時，部分位錯可以在遠(yuǎn)離壓頭的滑移面上形核和運(yùn)動；但當(dāng)薄膜厚度較大時，幾乎所有的位錯都分布在壓頭下方的矩形條帶區(qū)域中，與已有文獻(xiàn)中通常假設(shè)的