TiN納米晶粒尺寸對薄膜力學性能影響的分子動力學研究.pdf

1、本文使用分子動力學軟件包lammps基于2NN MEAM勢分別對TiN單晶、多晶材料進行了計算機仿真研究,以探究各種因素對TiN材料硬度的影響。首先,為了選擇一個適用于課題研究的有效作用勢,本文分別對Si的六種不同作用勢進行了對比驗證。研究發(fā)現(xiàn),2NN MEAM勢更適用于描述材料的力學性能,因而更適用于本課題的研究。隨后使用分子動力學軟件包lammps基于2NN MEAM勢模擬了單晶氮化鈦納米桿的軸向拉伸破壞過程,計算得到應力-應變關系

2、曲線,分析了沿[100]、[111]兩種晶向拉伸下的不同截面尺寸、不同拉伸應變率、不同溫度下的氮化鈦納米桿的力學性能,詳細描述了氮化鈦納米桿拉伸變形過程。在對TiN多晶體的仿真研究過程中,為了使仿真結果更接近自然環(huán)境,通過編程方法基于Voronoi算法構建了TiN多晶體模型,并控制其晶粒尺寸的分布。最后,使用lammps軟件包模擬了多晶氮化鈦軸向拉伸及壓縮過程,詳細描述了整個過程中晶粒、晶界及微觀粒子的運動,計算得到應力-應變關系曲線,

3、分析了不同晶粒尺寸、不同拉伸應變率及不同工作溫度對多晶氮化鈦力學性能的影響。
　　通過上述研究,主要得到了以下研究成果:
　　1)2NN MEAM勢更適用于描述材料的力學性能,其它類型的作用勢在仿真熱力學性質(zhì)等其它方面具有優(yōu)勢。使用2NN MEAM勢計算得到的TiN的各種力學性能均與實際相符合,表明2NN MEAM勢及分子動力學可以應用于仿真研究TiN材料。
　　2)對于TiN單晶材料而言,拉伸晶向、截面尺寸、應變率及

4、溫度均會對TiN納米桿的拉伸變形過程及力學性能產(chǎn)生不同程度的影響。沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服強度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服強度越大。應變率越高,溫度越低,屈服強度與彈性模量越大。不同拉伸條件下的氮化鈦納米桿的拉伸過程均包括彈性變形、塑性變形與斷裂階段。[100]晶向的彈性模量都要高于[111]晶向。
　　3)對于TiN多晶材料而言,晶粒及晶界的不同運動機制對屈服強度產(chǎn)生了重要影響。在拉伸仿真過程中

5、,屈服強度隨著晶粒尺寸的變化出現(xiàn)正、逆Hall-Petch關系;在壓縮仿真過程中,晶界處的變形機制使壓縮過程的屈服強度隨晶粒尺寸增大而增大,最后屈服強度值趨于穩(wěn)定。對拉伸及壓縮過程中的結果進行比較分析,最終得出結論,TiN多晶體平均晶粒尺寸在3nm到5nm之間時,可以使材料的硬度達到最高。拉伸及壓縮過程中,臨界晶粒尺寸、高應變率、低溫可以促進多晶材料的強化,晶界的強度是影響TiN多晶體強度的重要因素。因此如果在晶界附近摻雜其他元素來強化