基于準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法的納米壓痕初始塑性變形過(guò)程研究.pdf

1、隨著納米科技的蓬勃發(fā)展，納米級(jí)材料在電子信息、生物工程、醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥、航空航天、國(guó)防等高新尖端領(lǐng)域得到了市場(chǎng)化的應(yīng)用。因此人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注材料在納米尺度下的特性。當(dāng)構(gòu)件的尺寸減小到納米尺度時(shí)，材料的力學(xué)性能由于“尺寸效應(yīng)”的影響無(wú)法通過(guò)外推法得出，許多材料將呈現(xiàn)出特異的性質(zhì)。傳統(tǒng)的材料測(cè)試方法已經(jīng)不再適用，一種嶄新的材料測(cè)試技術(shù)——納米壓痕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前納米壓痕技術(shù)已經(jīng)成為一種測(cè)量薄膜材料性能的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，該方法在研究微小體積材料的微

2、觀塑性變形過(guò)程中也起一個(gè)非常重要的作用。通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)所得壓力－壓深曲線和經(jīng)驗(yàn)公式可以算得材料的彈性模量、硬度和剛度等。 準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法是一種將連續(xù)介質(zhì)方法和原子模擬相耦合的多尺度模擬方法。 該方法巧妙地將分子靜力學(xué)與有限元法相結(jié)合，在變形梯度較小的規(guī)則區(qū)域采用代表性原子作為計(jì)算點(diǎn)，以此為節(jié)點(diǎn)形成有限元網(wǎng)格，其周?chē)渌拥奈恢猛ㄟ^(guò)插值得到。與其他納米力學(xué)計(jì)算方法相比，準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法具有計(jì)算精度高，計(jì)算規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)

3、合準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法，研究了薄膜材料的納米壓痕初始塑性變形過(guò)程。 首先，采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法模擬了大規(guī)模原子的單晶銅薄膜在納米壓痕下發(fā)生初始塑性變形的行為，獲得了：(1)載荷－位移響應(yīng)，在載荷位移曲線上除了反映晶體彈性性質(zhì)的直線外還有數(shù)次的載荷突然下降過(guò)程。(2)位錯(cuò)形核現(xiàn)象，與載荷－位移曲線上的載荷突然下降相對(duì)應(yīng)的在受壓的晶體上發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)形核現(xiàn)象，說(shuō)明載荷的下降是因?yàn)槲诲e(cuò)形核引起的。(3)位錯(cuò)的發(fā)射機(jī)制，用Peierls-Nabarr

4、o位錯(cuò)模型以及能量法分析了位錯(cuò)的發(fā)射機(jī)制。(4)幾何必需位錯(cuò)密度，用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算了幾何必須位錯(cuò)密度。 其次，在計(jì)算得到的載荷－壓深曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)Oliver-Pharr 法計(jì)算了薄膜材料的接觸剛度、納米硬度和彈性模量，并與相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。 研究表明，接觸剛度－位移曲線呈線性關(guān)系，在納米硬度測(cè)量中存在尺寸效應(yīng)而在彈性模量測(cè)量中不存在尺寸效應(yīng)。計(jì)算獲得的單晶鋁和單晶銅的納米硬度值和彈性模量與試驗(yàn)結(jié)果非常

5、吻合，表明使用該方法預(yù)測(cè)薄膜材料的納米硬度和彈性模量是可行的。 最后，分析了單晶鋁納米壓痕試驗(yàn)中不同寬度的剛性矩形壓頭所引起的初始階段塑性變形的特點(diǎn)，獲得了載荷－壓深曲線、應(yīng)變能－位移曲線和硬度－壓深變化曲線。從位錯(cuò)理論的角度分析了壓頭尺寸對(duì)納米壓痕測(cè)試結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著壓頭寬度的不斷增大壓頭下方位錯(cuò)形核所需要的載荷和壓深程度增大； 在塑性變形的初始階段，相同的壓深情況下，隨著壓頭寬度的不斷增加位錯(cuò)的形核速度不斷