準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法在晶體微觀變形多尺度模擬中的應(yīng)用.pdf

1、隨著微電子技術(shù)和微系統(tǒng)研究的發(fā)展，材料的微觀力學(xué)性能越來越引起人們的關(guān)注。在載荷的作用下，微小構(gòu)件常常會(huì)表現(xiàn)出與宏觀條件下所不同的特性，例如高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、延展性、以及低溫超塑性等。材料變形的微觀機(jī)理研究也越來越受到人們的重視，近年來在理論和實(shí)驗(yàn)上的研究也取得不少進(jìn)展。建立在連續(xù)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)宏觀力學(xué)分析方法不再適用于微觀尺度下材料變形的研究，而分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡羅方法等微觀尺度的模擬方法由于自由度過多導(dǎo)致計(jì)算量太大，無法

2、在普通的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)較大模型的模擬。于是結(jié)合連續(xù)介質(zhì)尺度和原子尺度的多尺度方法在計(jì)算機(jī)模擬中得到了廣泛應(yīng)用。
　　 準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法(Quasi-continuum Method，QC)是多尺度方法的一種。其核心思想是在變形梯度變化比較小的區(qū)域采用有限元方法以“代表原子”(Representative Atoms)進(jìn)行粗化描述，通過適當(dāng)?shù)臋?quán)重處理求出整個(gè)系統(tǒng)的能量，而不是求出所有原子的能量。在缺陷密度較高、變形梯度變化較劇烈的區(qū)域

3、對(duì)每個(gè)原子采用分子動(dòng)力學(xué)來描述。這樣就可以在不失精確的情況下極大地減少問題的自由度和計(jì)算量，以實(shí)現(xiàn)較大尺寸試件的原子尺度模擬。
　　 本文采用QC方法對(duì)材料變形中產(chǎn)生的位錯(cuò)形核(Dislocation Nucleation)及孿生變形(Deformation Twinning，DT)的微觀機(jī)理進(jìn)行了分析，并討論了該過程中呈現(xiàn)的尺寸效應(yīng)，晶體取向效應(yīng)和晶界效應(yīng)及裂紋尖端擴(kuò)展的變形過程，主要做了以下四個(gè)方面的工作：
　　 1

4、)模擬了四種金屬薄膜--鋁(Al)、銀(Ag)、鎳(Ni)、鈀(Pd)--在四種壓頭寬度下的納米壓痕過程，得到了載荷-位移曲線和應(yīng)變能-位移曲線。同時(shí)計(jì)算出四種材料的納米硬度，并對(duì)其硬度值和壓頭寬度的關(guān)系進(jìn)行了討論；結(jié)果表明材料對(duì)壓痕響應(yīng)的尺度效應(yīng)很明顯，模擬得到的臨界載荷與采用能量理論估算的臨界載荷基本一致，四種金屬薄膜擴(kuò)展位錯(cuò)寬度大小模擬值與理論值相一致；最后，從微觀角度討論了材料載荷-位移曲線突降和材料中位錯(cuò)形核之間的關(guān)系，并畫出

5、了位錯(cuò)形核的原子圖，進(jìn)一步揭示材料變形機(jī)理。
　　 2)模擬了單晶Al薄膜在三種不同晶體取向(分別為x[111]，y[110]，z[112]；x[112]，y[111]，z[110]；x[110]，y[001]，Z[110])條件下的納米壓痕響應(yīng)，以此來探討納米壓痕的晶體取向效應(yīng)。得到了不同晶體取向下的載荷-位移曲線和微觀原子圖，同時(shí)觀察到位錯(cuò)形核、孿生變形等一些獨(dú)特的微觀構(gòu)造，模擬所得結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。最后采用位錯(cuò)理論對(duì)

6、不同晶體取向下納米壓痕響應(yīng)的差異進(jìn)行了討論，并從微觀變形機(jī)理的角度分析了產(chǎn)生這種差異的原因。
　　 3)模擬了存在晶界的Al薄膜的納米壓痕過程，探討了納米壓痕的晶界效應(yīng)。在加載過程中，對(duì)薄膜內(nèi)部變形比較劇烈的部分畫出原子圖，并從微觀角度分析產(chǎn)生劇烈變形的原因，同時(shí)對(duì)納米壓痕過程中的載荷-位移曲線和壓頭下方微結(jié)構(gòu)的變化在有晶界與無晶界兩種情況下的區(qū)別進(jìn)行了分析；最后，討論了位錯(cuò)在滑移過程中與晶界的相互作用。
　　 4)模擬