基于準連續(xù)介質(zhì)法的納米壓痕初始塑性變形過程研究.pdf

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

2、觀塑性變形過程中也起一個非常重要的作用。通過納米壓痕試驗所得壓力－壓深曲線和經(jīng)驗公式可以算得材料的彈性模量、硬度和剛度等。 準連續(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算點，以此為節(jié)點形成有限元網(wǎng)格，其周圍其他原子的位置通過插值得到。與其他納米力學計算方法相比，準連續(xù)介質(zhì)法具有計算精度高，計算規(guī)模大等優(yōu)點。本文結(jié)

3、合準連續(xù)介質(zhì)法，研究了薄膜材料的納米壓痕初始塑性變形過程。 首先，采用準連續(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程。(2)位錯形核現(xiàn)象，與載荷－位移曲線上的載荷突然下降相對應(yīng)的在受壓的晶體上發(fā)現(xiàn)了位錯形核現(xiàn)象，說明載荷的下降是因為位錯形核引起的。(3)位錯的發(fā)射機制，用Peierls-Nabarr

4、o位錯模型以及能量法分析了位錯的發(fā)射機制。(4)幾何必需位錯密度，用一個簡單的模型計算了幾何必須位錯密度。 其次，在計算得到的載荷－壓深曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)Oliver-Pharr 法計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)文獻的試驗結(jié)果進行了比較。 研究表明，接觸剛度－位移曲線呈線性關(guān)系，在納米硬度測量中存在尺寸效應(yīng)而在彈性模量測量中不存在尺寸效應(yīng)。計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結(jié)果非常

5、吻合，表明使用該方法預(yù)測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，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。從位錯理論的角度分析了壓頭尺寸對納米壓痕測試結(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的形核速度不斷