隨著高精度、高可靠性和小體積的微納設(shè)備及系統(tǒng)的迅速發(fā)展,納米加工等超精密制造技術(shù)的重要性日益凸顯。梯度多晶材料兼具高強度和優(yōu)良塑性/韌性,成為超精密制造領(lǐng)域的重要加工材料。然而,對于梯度多晶力學性能及變形機理理解的缺乏,嚴重阻礙了該種材料的實際應(yīng)用。本文采用分子動力學仿真方法,從微觀角度研究梯度多晶材料納米壓痕過程。首先,基于VORONOI方法,構(gòu)建梯度多晶銅和圓錐形壓頭三維分子模型,并將模型的原子分為普通晶粒、晶界和三叉晶界等三類以便后續(xù)分析。在仿真條件設(shè)置中,采用周期性邊界以模擬無窮大尺寸,應(yīng)用嵌入原子勢刻畫銅原子之間的相互作用。其次,基于赫茲理論、晶體塑性變形理論和位錯動力學等研究了梯度多晶銅納米壓痕過程的微觀變化。分析壓頭載荷隨位移變化過程,將整個壓痕過程分為彈性變形和塑性變形兩部分,擬合彈性變形階段載荷;提取壓痕表面原子,繪制壓痕形貌輪廓,計算壓痕尺寸;分析各個晶粒層在壓痕過程中位錯等缺陷的生成、運動與分布以及塑性變形區(qū)域位錯密度變化;研究各個晶粒與晶界的運動變化;分析發(fā)現(xiàn),由于特殊的梯度晶界結(jié)構(gòu),原子勢能與原子應(yīng)力也呈梯度分布。最后,改進壓痕接觸區(qū)域提取算法與塑形區(qū)域提取算... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
        1.1.1 課題研究背景
        1.1.2 課題研究的目的和意義
    1.2 梯度納米晶體材料及其仿真理論研究現(xiàn)狀
        1.2.1 梯度納米晶體材料的分類與制備
        1.2.2 梯度納米晶體材料力學性能
        1.2.3 梯度納米晶體的仿真研究
    1.3 本文的主要研究內(nèi)容
第2章 分子動力學建模與仿真方法
    2.1 引言
    2.2 分子動力學的理論基礎(chǔ)
        2.2.1 周期邊界條件
        2.2.2 勢函數(shù)的選擇
        2.2.3 系統(tǒng)溫度壓強的控制
        2.2.4 運動方程的求解
    2.3 梯度多晶銅的建模方法
        2.3.1 VORONOI多邊形方法原理
        2.3.2 梯度多晶銅試樣與壓頭建模
    2.4 梯度多晶銅納米壓痕的仿真方法
        2.4.1 納米壓痕的弛豫平衡過程
        2.4.2 納米壓痕的仿真條件設(shè)置
        2.4.3 分子動力學仿真和分析平臺
    2.5 本章小結(jié)
第3章 梯度多晶銅納米壓痕過程的研究
    3.1 引言
    3.2 納米壓痕的彈性與塑性變形過程
        3.2.1 納米壓痕的壓頭載荷-位移曲線
        3.2.2 納米壓痕的表面形貌
    3.3 納米壓痕過程中的缺陷分析
        3.3.1 缺陷分析方法概述
        3.3.2 壓痕過程中位錯的演變
        3.3.3 壓痕過程中堆垛層錯的演變
    3.4 納米壓痕過程中的晶粒與晶界變化研究
        3.4.1 壓痕過程中的晶粒運動
        3.4.2 壓痕過程中晶界的研究
    3.5 納米壓痕過程中的原子勢能及原子應(yīng)力研究
        3.5.1 壓痕過程中的原子勢能變化與分布
        3.5.2 壓痕過程中的原子應(yīng)力變化與分布
    3.6 本章小結(jié)
第4章 梯度多晶銅硬度與彈性模量的計算
    4.1 引言
    4.2 納米壓痕技術(shù)理論基礎(chǔ)
    4.3 納米壓痕中的尺寸效應(yīng)及N-G模型
        4.3.1 納米壓痕尺寸效應(yīng)及N-G模型簡介
        4.3.2 單晶銅納米壓痕硬度的計算分析
    4.4 晶界對壓痕硬度的影響
        4.4.1 水平晶界的影響
        4.4.2 縱向晶界的影響
    4.5 梯度多晶銅壓痕硬度的計算分析
        4.5.1 硬度計算方法與接觸面積的計算
        4.5.2 塑性變形區(qū)域的確定方法
        4.5.3 仿真結(jié)果與理論驗證
    4.6 梯度多晶銅彈性模量的計算分析
    4.7 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝


【參考文獻】：
期刊論文
[1]壓痕位置對多晶銅納米壓痕變形機理的影響[J]. 趙鵬越,郭永博,白清順,張飛虎.  哈爾濱工業(yè)大學學報. 2018(07)
[2]梯度結(jié)構(gòu)金屬材料研究進展[J]. 李毅.  中國材料進展. 2016(09)
[3]梯度納米結(jié)構(gòu)材料[J]. 盧柯.  金屬學報. 2015(01)

博士論文
[1]金屬材料塑性變形行為的理論研究：失效、穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)定性[D]. 王鵬.浙江大學 2019
[2]單晶銅納米壓痕過程中位錯演化的分子動力學研究[D]. 劉啟濤.華中科技大學 2018
[3]晶體銅納米切削加工亞表層晶體結(jié)構(gòu)及缺陷演變機理研究[D]. 王全龍.哈爾濱工業(yè)大學 2016
[4]雙晶材料納米壓痕初始塑性變形行為的跨尺度模擬與實驗研究[D]. 王露萌.哈爾濱工業(yè)大學 2013
[5]基于分子動力學的晶體銅納米機械加工表層形成機理研究[D]. 張俊杰.哈爾濱工業(yè)大學 2011

碩士論文
[1]基于納米壓痕的有序微納結(jié)構(gòu)制備研究[D]. 蔡建雄.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]基于分子動力學的銅鉛合金拉伸變形特性的研究[D]. 韓瀏淼.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[3]高分子材料納米壓痕表征的分子模擬與實驗研究[D]. 彭超.哈爾濱工業(yè)大學 2016



本文編號：3632772