隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,研究對象尺寸越來越小,材料的微納米力學(xué)性能得到了廣泛關(guān)注。納米壓入法具有精度高、對材料破壞性小等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于材料特征區(qū)域、微機電系統(tǒng)和薄膜材料等力學(xué)性能的表征。然而,納米壓入實驗研究由于儀器條件的限制,如壓頭尖端鈍化、材料表面起伏、以及環(huán)境干擾等因素的作用,測試精度隨壓入深度減小而大幅度下降;另一方面,該實驗方法難以研究材料內(nèi)部缺陷的演變信息。分子動力學(xué)（Molecular dynamics,簡稱MD）模擬能實時顯示原子的動態(tài)行為,是研究壓入響應(yīng)內(nèi)在機制的有力工具,近年來得到快速發(fā)展。然而由于材料體系種類多且復(fù)雜,目前仍處于起步階段,本文以單晶鋁,單晶硅,以及非晶碳膜為三種代表性材料為對象,通過MD研究了納米壓入過程中位錯反應(yīng)、相變過程與非晶形變的分子動力學(xué)機理。通過MD模擬單晶鋁（100）的納米壓入過程,分析了位錯萌生、運動與反應(yīng)過程,并重點揭示了棱柱位錯環(huán)脫離的新反應(yīng)機制,即肖克萊部分位錯間反應(yīng)生成壓桿位錯;肖克萊部分位錯與壓桿位錯反應(yīng)生成新的肖克萊位錯;肖克萊位錯間發(fā)生湮滅釋放出棱柱位錯環(huán)。此外,壓入深度和保載時間對單晶鋁的力學(xué)性能和棱柱位錯環(huán)的運動... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

壓頭尖端示意圖：(a)Vickers壓頭,(b)Berkovich壓頭,(c)圓錐壓頭，(d)球形壓頭（未按比例）

第一章 緒論殘余深度 hr到最大深度 hmax的加載和卸載是彈性的，赫茲認(rèn)為在樣品自由表面下的的深度 ha是彈性位移 he的一半，即從自由表面到保載時的接觸圓的半徑深度間的距=he/2。由圖 1-2（a）可得：cah h hmax（1.42maxechh h （1.5觸深度 hc已知后，根據(jù)圖 1-2（a）Ri、hc和 a 間的幾何關(guān)系可計算出接觸半徑 a，然算出接觸面積 A=πa2，P 是最大載荷 Pmax，所以硬度為：APH （1.6）

納米壓入的分子動力學(xué)研究1956 年 12 月，Nobel 獎的獲得者 Richard Fcymnan 在美國物理學(xué)會上提出：“要是原子/分子的規(guī)模上加工材料和制備裝置，人類將會有很多的新發(fā)現(xiàn)”[5]，也是由此開啟了納米世界的研究熱潮。納米壓入技術(shù)作為最簡單的測試材料力學(xué)性質(zhì)的方法其實驗過程是具有局限性的，例如很難有效地捕捉到材料在受力過程中的微觀特征。尤在原子尺度時其力學(xué)性能與宏觀性能差別很大，采用實驗的方法很難獲取材料的變形特學(xué)性能，而 MD 模擬能實時將分子（或者原子）的動態(tài)行為展示到計算機屏幕上,以便了解研究體系在一定條件下的演變過程。因此，采用MD 模擬的方法研究納米壓入接觸到人們的青睞。1990 年，Landman 等人[6]首次采用MD 模擬鎳探針與金基體的接觸行為，研究了粘附形式、納米壓入、分離和裂紋的機制，提出在加載前探針與基底距離很小時會出現(xiàn)觸現(xiàn)象，此時會有金原子粘附在鎳探針上，隨后壓痕會導(dǎo)致金表面發(fā)生塑性變形，的時候探針和基底之間會形成連接原子（connectiveneck）并且會被拉伸變長，這個涉及彈性階段和屈服階段的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其作用過程如圖 1-3 所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]含缺陷雙層石墨烯的納米壓痕模擬研究[J]. 華軍,武霞霞,段志榮.  力學(xué)學(xué)報. 2016(04)
[2]壓頭速度對Ni3Al納米壓痕過程影響的數(shù)值仿真[J]. 胡騰越,鄭百林,賀鵬飛,岳珠峰.  計算機輔助工程. 2013(05)
[3]類金剛石薄膜力學(xué)特性的分子動力學(xué)模擬[J]. 權(quán)偉龍,李紅軒,吉利,趙飛,杜雯,周惠娣,陳建敏.  物理學(xué)報. 2010(08)
[4]單晶銅薄膜納米壓痕過程的分子動力學(xué)模擬[J]. 黃躍飛,張俊杰,周軍暉.  機械工程材料. 2008(04)
[5]單晶Cu在納米壓痕過程中的微觀破壞機制[J]. 程東,嚴(yán)立,嚴(yán)志軍.  大連海事大學(xué)學(xué)報. 2005(02)
[6]納米硬度測量中接觸面積及壓頭曲率半徑效應(yīng)的分子動力學(xué)模擬[J]. 陳尚達(dá),柯孚久.  中國科學(xué)G輯:物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué). 2003(05)



本文編號：3103231