準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法在多尺度模擬中的應(yīng)用.pdf

1、隨著微電子技術(shù)和微系統(tǒng)的發(fā)展,材料的微觀力學(xué)性能越來(lái)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,材料變形的微觀機(jī)理研究也越來(lái)越受到人們的重視。傳統(tǒng)的建立在連續(xù)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上的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)等微觀尺度的方法由于自由度過(guò)多導(dǎo)致計(jì)算量太大,無(wú)法在普通的計(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開(kāi)始在計(jì)算機(jī)模擬中廣泛應(yīng)用。
　　 準(zhǔn)

2、連續(xù)介質(zhì)方法模擬一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候,耦合了連續(xù)介質(zhì)尺度和原子尺度。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”進(jìn)行粗化描述;而將缺陷密度較高、變形梯度變化較劇烈的區(qū)域用分子動(dòng)力學(xué)來(lái)描述。本文采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法分析了材料在微觀變形時(shí)呈現(xiàn)的尺寸效應(yīng),晶界效應(yīng)和晶向效應(yīng)。主要工作如下:
　　 首先,采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法模擬了金屬薄膜Al,Ag,Ni和Pd在四種壓頭寬度下的納米壓痕過(guò)程,得到了載荷一位移曲線和應(yīng)變能曲線,計(jì)算了四種材

3、料的納米硬度;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;討論了四種壓頭寬度下,硬度值和壓頭寬度之間的關(guān)系;對(duì)比了模擬得到的四種金屬的擴(kuò)展位錯(cuò)寬度與理論推導(dǎo)的擴(kuò)展位錯(cuò)寬度值,兩者基本符合;最后,從微觀角度討論材料的載荷一位移曲線突降和材料中位錯(cuò)成核之間的關(guān)系,并畫(huà)出位錯(cuò)成核圖,進(jìn)一步揭示材料變形機(jī)理。
　　 其次,采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法對(duì)薄膜采用三種不同的晶體晶向(分別為x[111],y[-110],z[11-2];x[

4、-1-12],y[111],z[-110];x[1-10],y[001],z[-1-10])模擬不同晶向下Al薄膜的納米壓痕響應(yīng),以探討納米壓痕模擬的晶向效應(yīng)。得到了不同晶向下的載荷位移曲線和微觀原子圖;觀察到了孿生變形等一些獨(dú)特的微觀構(gòu)造;最后采用位錯(cuò)理論解釋了不同晶向下納米壓痕響應(yīng)的區(qū)別,分析了不同的微觀變形機(jī)理。
　　 然后,采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法模擬了孿晶薄膜Al的納米壓痕過(guò)程,以探討納米壓痕模擬的晶界效應(yīng)。對(duì)比分析了存在與