納米尺度黏著接觸和裂紋擴展的準連續(xù)介質方法研究.pdf

1、研究納米尺度下材料的特殊力學行為是一個涉及材料、物理等學科的復雜的課題。在這一尺度下，存在三個比較典型而富有意義的方向：(1)宏觀尺度中未曾表現或可忽略的物理量，如材料的各向異性、黏著力、表面能成為影響材料和納米器件的重要因素，研究這些因素對材料行為的影響變得極為重要。(2)材料科學中表征材料的參數，如堆垛層錯能和孿晶能以怎樣的方式影響和決定材料的變形機理并反映于材料的力學性質中。(3)宏觀尺度下的連續(xù)介質理論在納米尺度模型的適用性考察

2、：連續(xù)介質模型什么尺度下仍然能適用?不適用的邊界在哪里?
　　為了能盡可能的考察納米尺度模型中出現的上述問題。我們采用準連續(xù)介質方法研究面心立方(FCC)或體心立方(BCC)金屬的三個方面：鎳(Ni)壓頭壓入并拔出銅(Cu)基體的黏著接觸行為和黏著接觸各向異性行為；鉭(Ta)的廣義面錯能和孿晶能及其對Ⅱ型裂紋尖端塑性變形機理的揭示；四種晶向選擇下，具有初始裂紋的單晶鉭(Ta)的裂紋擴展行為。通過這三個主題的研究發(fā)現：
　　(

3、1)在黏著接觸研究中，采用遠大于分子動力學(MD)中的壓頭研究Ni壓頭和Cu基體的黏著接觸。通過壓深-載荷曲線和原子的組態(tài)的考察發(fā)現：壓頭壓入和拔出體過程中，基體內部會形成一個非常大的塑性變形區(qū)。而且當壓頭完全拔出基體后，基體表面遭到嚴重破壞，基體深處仍然存有塑性變形。這表明納米尺度的黏著作用對材料的破壞有非常大的影響；通過運用廣義面錯能曲線(GPF)發(fā)現單晶Cu形成孿晶層錯結構需要克服的能壘(yutf-ysf)小于形成堆垛層錯結構所需

4、克服的不穩(wěn)定堆垛層錯能(yusf)，這揭示了黏著接觸過程中形變孿晶這一重要塑性變形產生的原因；黏著斷裂中縮頸的斷裂主要分為兩種方式：壓頭回撤初期階段的原子重排和術期階段原子層沿易滑移面的剪切斷裂；將模擬得到的黏著接觸斷裂的臨界分離力(Fc)及臨界半帶寬(ac)和JKR理論值進行比較發(fā)現，兩者存在偏差，模擬值是理論值的兩倍左右。
　　(2)考察單晶鉭(Ta)的(112)面沿[111]方向滑移時的廣義堆垛層錯能和廣義孿晶能曲線發(fā)現：廣

5、義堆垛層錯能曲線不存在能量極小值，這表明Ta內部不會形成單層的堆垛層錯結構，位錯只能以全位錯形式發(fā)射；不同厚度的廣義孿晶能曲線表明四個原子層的孿晶是亞穩(wěn)定的，五層的孿晶是比較穩(wěn)定的穩(wěn)定孿晶；通過單晶Ta的Ⅱ型裂紋尖端的初始塑性變形研究發(fā)現，形變孿晶的產生和全位錯的發(fā)射是裂紋尖端同時共存的兩種塑性變形機理。裂紋尖端的初次塑性變形形成四個原子層厚的孿晶，隨后迅速擴展為五層以至更高層。此外還發(fā)現全位錯沿[111]晶向向裂紋尖端的前方發(fā)射。裂紋

6、尖端的塑性變形驗證了廣義層錯能曲線和廣義孿晶能曲線能夠較好地揭示了全位錯和多原子層孿晶的產生。
　　(3)對四種晶向下具有初始裂紋的單晶Ta的Ⅰ型加載過程研究發(fā)現，四種晶向的裂紋表現出不同的脆塑性斷裂機理：(Ⅰ)晶向為x[010]，y[100]和z[001]時，裂紋所在的面具有較大的表面能，裂紋前方沒有易滑移面，初始裂紋由初始時具有較大表面能的裂紋面轉移到表面能較小的(110)面，但是裂紋擴展以脆性形式為主。(Ⅱ)晶向為x[110

7、]，y[110]和z[001]時，裂紋所在面具有較小的表面能，裂紋前方沒有易滑移面，應力強度因子為2.41K*IC時初始裂紋沿原裂紋面脆性擴展。(Ⅲ)x[100]，y[011]和z[011]時，裂紋所在面具有較小表面能，但裂紋前方具有易滑移面。裂紋擴展時裂紋尖端通過沿[111]和[111]方向發(fā)射全位錯的形式使得裂紋尖端鈍化。裂紋的鈍化進一步導致裂紋尖端產生明顯的相變，BCC形式的晶格排列轉化為更加穩(wěn)定的HCP形式，進一步抑制了裂紋的擴

8、展。(Ⅳ)x[110]，y[001]和z[110]時，裂紋在3.29K*IC發(fā)生初次塑性變形。在這一晶向下，形變孿晶是裂紋尖端最主要的塑性變形形式，裂紋前方形成了較長的孿晶帶，且隨著加載孿晶帶逐漸變寬。模擬發(fā)現裂紋大致沿著孿晶界的方向擴展。
　　(4)針對裂紋尖端四種不同的塑性和脆性斷裂形式，提出利用變量ζ作為判定裂紋脆性還是塑性擴展的主要依據。這一變量一方面和初始裂紋所在面的表面能及位錯發(fā)射的不穩(wěn)定堆垛層錯能有關，另一方面還與易