微納構(gòu)件加工表面性能演變過程及其拉伸力學特性的研究.pdf

1、納米加工中,材料去除形成微納構(gòu)件的加工表面,是制造技術(shù)中非常重要的一個方面,而在材料去除之后加工表面性能的演變也是一個重要方面,但是在以往的研究中,往往被忽視。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,對零件和元器件的尺寸要求越來越小,尤其是隨著微機電系統(tǒng)和納機電系統(tǒng)的發(fā)展,器件趨于小型化,器件尺寸已達到微米量級,有的甚至要求納米量級,此時器件的比表面積大,加工表面性能成為器件使用性能的主要影響因素。加工表面性能,包括表面粗糙度、表面缺陷、表面塑性變形、

2、加工硬化、表面層殘余應(yīng)力、表面金相組織的變化等,對材料性能和器件使用具有很大的影響,因此研究微納構(gòu)件已加工表面性能演變規(guī)律是十分必要的,對微納構(gòu)件的設(shè)計和制造具有重要的理論意義和實用價值。
　　微納構(gòu)件加工后,工件內(nèi)部具有較高的機械儲存能,通過自行調(diào)整原子位置可以降低工件能量,使工件向能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)演變,這一過程稱之為表面能量時效過程。本文采用分子動力學方法和蒙特卡羅方法相結(jié)合,基于隨機性算法,建立了微納構(gòu)件表面能量時效的蒙特

3、卡羅分析模型,并搭建了微納構(gòu)件表面能量時效過程的GPU高性能并行計算仿真平臺,為系統(tǒng)開展微納構(gòu)件表面性能演變過程的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　首先建立單晶銅微納構(gòu)件表面能量時效的蒙特卡羅分析模型,研究表面能量時效作用對單晶銅微納構(gòu)件加工表面性能的影響,分別從表面粗糙度、工件有序度、缺陷結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布、勢能分布以及相變結(jié)構(gòu)等方面,分析加工表面性能在表面能量時效過程中的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)表面能量時效作用可以減小單晶銅工件加工表面的粗糙度,提

4、高工件變質(zhì)層的有序度,大幅降低工件殘余應(yīng)力和原子平均勢能,同時工件變質(zhì)層中的缺陷結(jié)構(gòu)以及相變結(jié)構(gòu)在表面能量時效過程中會顯著減少,其中部分缺陷結(jié)構(gòu)演變?yōu)槲诲e團和工件表面結(jié)構(gòu),并出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。表面能量時效作用對單晶銅微納構(gòu)件加工表面性能具有顯著影響,可以大幅提高構(gòu)件的使用性能。
　　其次通過對加工后單晶硅微納構(gòu)件表面能量時效過程進行蒙特卡羅模擬,研究表面能量時效作用對單晶硅工件加工表面性能的影響,并從以下幾個方面具體分析加工表面性能

5、在表面能量時效過程中的變化:表面粗糙度、工件有序度、相變結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布、勢能分布等。模擬結(jié)果表明:在表面能量時效過程中,單晶硅微納構(gòu)件表面粗糙度變大,變質(zhì)層的有序度提高,殘余應(yīng)力以及原子平均勢能降低較大,同時工件變質(zhì)層中非晶硅原子在表面能量時效過程中大幅減少,部分非晶硅發(fā)生相變,出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。其中部分BCT5-Si以及金屬相(Si-II)結(jié)構(gòu)原子轉(zhuǎn)化為金剛石結(jié)構(gòu)(Si-I)。說明表面能量時效作用對單晶硅微納構(gòu)件表面性能具有一定的影響,

6、可以一定程度上提高其使用性能。
　　最后分別對表面能量時效前后的單晶銅和單晶硅微納構(gòu)件拉伸過程進行分子動力學模擬,分析表面能量時效作用對于兩種材料微納構(gòu)件拉伸過程的變形機制以及力學性能的影響,同時采用多尺度方法分析了單晶銅微納構(gòu)件力學性能的各向異性。研究發(fā)現(xiàn):單晶銅微納構(gòu)件力學性能和塑性變形具有顯著的各向異性;表面能量時效作用對單晶銅微納構(gòu)件的力學性能具有顯著的影響,主要表現(xiàn)為單晶銅微納構(gòu)件的加工過程使工件屈服強度、拉伸強度以及工