单晶镍纳米薄膜单向拉伸破坏的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了单晶镍纳米薄膜受单向拉伸破坏的过程, 得出纳米尺度单晶镍薄膜的应力-应变关系、能量演化曲线和镍薄膜构型的变化及微损伤的形成和扩展过程. 模拟采用原子镶嵌势描述原子间作用, 得到镍单晶薄膜的弹性模量, 分析了拉伸过程中系统原子能量、应力变化和外荷载的关系. 结果表明: 纳米薄膜的自由表面影响拉伸过程中原子的运动和薄膜整体力学性能, 纳米薄膜破坏的几何特征是原子空位的连接和晶胞缺陷的扩展; 单晶的断裂接近脆性断裂, 模拟得到纳米薄膜的断裂强度符合Griffith脆性断裂的能量平衡理论.     

极低温度超高压强下纳米多晶镍塑性变形行为与机理的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了极低温度、超高压强条件下纳米多晶镍的塑性变形行为;利用共近邻分析(Common neighbor analysis,CNA)表征了纳米多晶镍的微观结构特征及其演化过程;结合广义层错能计算,揭示了超高压强对纳米多晶镍塑性变形机理的影响.结果表明:在0～300 K范围内,纳米多晶镍的强度随着温度的降低而提高,当温度从300 K降低到1 K时,屈服强度由2.9 GPa提高到5.1 GPa;超高压强能提高纳米多晶镍滑移开动的临界分切应力,改善位错分解与增殖的能力,进而导致其屈服强度随外界压强的升高而显著提高:当压强从0 GPa升高到10 GPa时,其屈服强度提高了 44.8％.     

应力应变、疲劳与脆断、断裂力学

薄板焊接残余应力尺寸效应，管对接全位置焊应力应变场三维有限元数值分析，焊接残余应力求解的边界元数学模型，镍基单晶合金TLP焊接件破坏特性研究，电弧超声对Q235A的SMAW焊缝组织和性能的影响，压力钢管安装焊接过程的变形分析。[编者按]     

单晶和多晶钼纳米丝轴向拉伸的模拟对比

利用分子动力学模拟研究多晶纳米丝和单晶钼纳米丝在拉伸形变行为上的差异.结果表明:单晶纳米丝比多晶纳米丝具有更高的弹性模量、屈服应力和断裂应变,且在拉伸过程中伴随更多的结构转变和无序化,导致超塑性的出现;多晶纳米丝拉伸时的颈缩从应力高度集中的晶界开始,结构转变也仅局限于此晶界附近,系统的整体结构几乎没有受到影响,且晶界处的高应力在控制多晶纳米丝的塑性形变和断裂过程中起着决定性的作用;纳米丝拉伸时由应力引起的结构转变也是塑性变形的一种重要机制.     

基于准连续介质法预测薄膜材料纳米硬度和弹性模量

采用准连续介质法模拟了单晶Al和单晶Cu纳米压痕实验中的初始塑性变形过程,获得了压头在不同压深下的加载和卸载曲线.在计算得到的载荷-压深曲线基础上,根据Oliver-Pharr法计算了薄膜材料的接触刚度、纳米硬度和弹性模量,并与相关文献的实验结果进行了比较.研究表明,接触刚度-位移曲线呈线性关系;纳米硬度测量中存在尺寸效应,而在弹性模量测量中却不存在尺寸效应.单晶Al和单晶Cu纳米硬度和弹性模量计算值分别为(0.584±0.013)和(84.088±0.332)GPa,(0.755±0.027)和(131.833±4.449)GPa.预测值与实验结果吻合,表明使用该方法预测薄膜材料的纳米硬度和弹性模量是可行的.     

纯钼高压扭转过程中微纳尺度的力学性能演化

对工业烧结纯钼在室温下进行了压力为6 GPa,扭转圈数为1、2和5圈的高压扭转实验,借助纳米压痕测试技术对变形前后试样进行了力学性能表征,通过有限元模拟获得了不同变形程度试样的应力-应变曲线。结果表明：高压扭转对纯钼力学性能具有显著的强化作用,变形前后试样的纳米硬度和屈服强度分别从3.02 GPa和970 MPa升高至7.80 GPa和3370 MPa,分析认为细晶强化和位错强化是强度提升的主要因素。然而,高压扭转变形导致的位错增殖和残余应力升高使材料的弹性模量随应变量的增大而逐步降低。此外,基于有限元模拟所得的应力-应变曲线,建立了高压扭转过程中应力和等效应变之间的关系,讨论了大塑性变形过程中的硬化行为。     

单晶Cu材料纳米切削特性的分子动力学模拟

建立了单晶Cu纳米切削的三维分子动力学模型,研究了不同切削厚度下纳米切削过程中工件缺陷结构和应力分布的规律.纳米切削过程中,在刀具的前方和下方形成变形区并伴随缺陷的产生,缺陷以堆垛层错和部分位错为主.在纳米尺度下,工件存在很大的表面应力,随着切削的进行,工件变形区主要受压应力作用,已加工表面主要受拉应力作用.随着位错在晶体中产生、繁殖及相互作用,工件先后经过弹性变形——塑性变形——加工硬化——完全屈服4个变形阶段,随后进入新的循环变形.结果表明:工件应力-位移曲线呈周期性变化;切削厚度较小时,工件内部没有明显的层错产生,随着切削厚度的增大,工件表面和亚表层缺陷增加;切削厚度越大,对应应力分量值越小.     

含水条件下单晶Cu的应力松弛及弹性恢复

采用分子动力学方法研究了不同含水条件下单晶Cu纳米压入过程中的应力松弛和弹性恢复行为。结果表明,恒定变形量下单晶Cu承受的应力减小,发生应力松弛现象,水膜存在时单晶Cu的应力松弛量大于无水情况。纳米压入过程中Cu原子间距随压入深度增加而快速减小,应力松弛阶段Cu原子间的最邻近距离未有明显变化,卸载初期Cu原子间距因变形区域弹性能及位错能的释放而迅速增大。含水条件下单晶Cu内部形成的位错明显多于无水情况,说明不可恢复性变形量因水膜的出现而加剧;卸载结束时部分变形得以释放,促进了部分位错消失,水膜的存在阻碍了弹性恢复和塑性变形的释放。     

不同长径比纳米银线合成机理及变形机理

采用液相还原法,通过调节聚乙烯吡咯烷酮（PVP）摩尔浓度制备不同长径比的纳米银线。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见光分光光度计、同步热分析仪及透射电子显微镜对纳米银线的物相组成、微观形貌、光吸收性能、热分解、晶体结构进行表征,并使用分子动力学模拟单晶纳米银线的拉伸和熔化过程。结果表明：纳米银线主要由面心立方银构成。PVP与AgNO₃的摩尔比由1.5变为7.5,纳米银线直径先减小后增加;当摩尔比为6.0时,纳米银线直径最小,为77.7 nm。纳米银线直径由106.1 nm减小为77.7 nm,熔化温度随之减小,最低为281.2 ℃。单晶纳米银线长径比由6变为72时,屈服强度逐渐由0.63 GPa提升至0.83 GPa。单晶纳米银线熔化温度随长径比增加而减小,由690 K变为657 K。PVP与AgNO₃的摩尔比为6.0是合成银线的最佳条件,长径比大的纳米银线具有良好的抵抗变形的能力。     

单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真与实验研究

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表明,随着垂直载荷的增加,切削力、表面形貌尺寸、切屑堆积在接触过程中逐渐增加,且与切削速度无明显关联。切削过程中切削力波动的根本原因是由于单晶锗晶格破坏引起位错的产生和能量波动。为了验证仿真结果的正确性,使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米切削实验。实验结果与仿真结果一致,验证了MD模型的正确性和有效性。     

Ti/Al过渡层对共掺杂类金刚石薄膜性能的影响

目的研究Ti/Al过渡层对不同溅射电流下的Ti/Al共掺杂DLC薄膜的成分、结构、机械性能和结合力的影响。方法采用线性离子束复合磁控溅射技术在316L基底上沉积含有Ti/Al过渡层的Ti/Al共掺杂DLC薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、高分辨透射电镜(HRTEM)及共聚焦激光拉曼光谱仪分析了薄膜的界面形貌及键态结构。采用辉光放电光谱仪对样品成分进行深度分析,纳米压痕仪测量薄膜硬度及弹性模量,划痕测试系统测量膜基结合力,残余应力仪测量薄膜内应力。结果与未添加过渡层相比,添加Ti/Al过渡层对薄膜的结构和机械性能影响较小,且均在溅射电流为2.5 A时有最优的机械性能;然而,溅射电流为2.5 A时,添加过渡层使结合力从54.5 N提高到了67.2 N,提高了19%,残余应力从1.28 GPa降低到了0.25 GPa,降低了80%。结论 Ti/Al过渡层可缓解因DLC薄膜和基体的晶格匹配差异和膨胀系数不同而导致的高界面应力。在薄膜与基底界面,过渡层呈现典型柱状晶结构,可促进膜基界面间的机械互锁,显著改善薄膜与基体之间的结合力而不损伤其机械性能。     

不同工艺对TaN薄膜组织与性能的影响

用磁控溅射法在硅基材料上制备TaN薄膜,用原子力显微镜(AFM)和X射线衍射仪(XRD)研究不同工艺下磁控溅射TaN薄膜的表面形貌和组织,用纳米压痕仪和CHI电化学分析仪测试薄膜的力学性能和耐腐蚀性能。结果表明,基底加热和退火处理均导致TaN薄膜组织发生六方结构TaN(110)向面心立方结构TaN(111)和TaN(331)的转变。另外,基底加热和退火处理工艺均改善了TaN薄膜的显微硬度和膜基结合力等力学性能,其断裂韧性和耐腐蚀性能有所降低。     

高强度预应力钢丝稳定化处理工艺及对产品性能的影响

通过对高强度预应力钢丝稳定化处理的生产实践研究，探索稳定化回火的加热工艺特性，为实现温度自动控制提供了依据。同时还研究了回火制度对产品的力学性能尤其是抗应力松弛性能的影响，结果表明，采用本文所提供的生产方法和工艺制度完全能满足高强度低松弛预应力钢丝的质量要求。     

TiC粉末粒度对Ti（C,N）基金属陶瓷组织及性能的影响

通过采用真空烧结工艺的粉末冶金法制备了两组不同TiC粒度的Ti（C,N）基金属陶瓷材料。采用XRD、SEM、EDS研究了相结构和显微组织,测定了室温力学性能。结果表明,用纳米TiC粉末制备的金属陶瓷组织细小均匀,抗弯强度、硬度均较高,分别达1021.5 MPa和17.7 GPa（HV10）。     

高强高机械阻尼的W/NiTi(Nb)形状记忆合金复合材料

通过真空感应熔炼、锻造及拔丝工艺制备了成分源于Ni48Ti46Nb3W3(原子分数)的W/NiTi(Nb)形状记忆合金原位自生复合材料,采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪及拉伸试验机研究了其微观组织结构与力学性能。结果表明:复合材料丝材中W呈横截面为片状的亚微米级纤维,且沿丝轴向均匀分布在NiTi(Nb)基体中,两组元界面结合良好;该复合材料丝材在室温下平台应力达1.2GPa,并呈现高机械阻尼性能。     

Mechanical and fatigue properties of stress relieved type 302 stainless steel wire

Type 302 stainless steel wire is manufactured using a cold extrusion process. The cold working increases the ultimate strength of the wire from approximately 690 MPa to 2070 MPa. However, the cold working process creates residual stresses and surface microcracks in the wire. The residual stresses and microcracks reduce the fatigue life of the wire considerably. Elimination or minimization of residual stresses and microcracks is necessary if longer fatigue life is required. Residual stresses or microcracks in a wire can be minimized by a heat treatment process, which could improve both its mechanical properties and fatigue properties. Experimental evidence shows that the stress relieving process yields maximum mechanical properties between 316 and 482 ° (600 and 900 °F). The fatigue properties of the wire are optimum at a stress relieving temperature of 649 ° (1200 °F). However, the mechanical properties such as yield strength, modulus of resilience, modulus of toughness, and ultimate strength, etc., are reduced by as much as 30% if compared to the similar properties of 316 ° (600 °F) stress relieved wire.     

氮含量对Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的影响

目的 探究氮含量对MoTaW多主元合金薄膜的微观组织和力学性能的影响,并提高Mo-Ta-W多主元合金薄膜的力学性能。方法 采用反应多靶磁控溅射技术在单晶硅片上制备出了具有不同氮含量的Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜,通过X射线光电子能谱仪、掠入射角X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜对薄膜的成分、组织结构、表面及截面微观形貌、厚度和粗糙度进行了表征分析,并采用纳米压痕仪对薄膜的硬度和弹性模量进行了测试。结果 Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜中的氮含量随着溅射过程中氮气流量的增加而增加,当氮气流量达到50%时,薄膜中的氮含量升至49%,而钽含量则随之降低至12%。形成氮化物后,Mo-Ta-W多主元薄膜由BCC结构转变成了单相FCC固溶体结构,表面由层片状结构转变为花椰菜状团簇结构,随着氮含量的增加,表面的粗糙度先降低后升高,厚度则不断降低。与Mo-Ta-W多主元合金薄膜相比,Mo-Ta-W多主元合金氮化物薄膜的力学性能有所提高,但随着氮含量的增加而下降,当氮气流量为10%时,Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的硬度和弹性模量分别为34.3 GPa和327.5 GPa。结论 氮化物的形成对Mo-Ta-W多主元合金薄膜的相结构、表面形貌等有影响,可有效提高薄膜的力学性能。     

非平衡磁控溅射离子镀Cu-Nb纳米晶薄膜的微观结构及性能

研究了Nb含量对纳米晶Cu-Nb薄膜微观结构和性能的影响。使用非平衡磁控溅射离子镀技术,在具有(100)晶面的单晶Si基体和玻璃基体上制备不同Nb含量的Cu-Nb纳米晶薄膜,研究Nb含量对纳米晶Cu-Nb薄膜微观结构和性能的影响。将样品置于卧式真空退火炉中进行400 ℃退火,用配备了能量色散X射线光谱仪的场发射扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪和四探针电阻率测试仪等分析了退火前后薄膜的微观结构、力学性能与电学性能。结果表明,沉积态Cu-Nb薄膜表面由致密的纳米晶组成,表面粗糙度最高仅为8.54 nm,且无明显的孔洞和裂纹等缺陷。随着Nb含量的增加,薄膜的平均晶粒尺寸下降5 nm,薄膜的硬度也因细晶强化而有所增加,在靶电流为1.3 A时达到最大值4.9 GPa。退火态样品在硬度、弹性模量、平均晶粒尺寸和表面粗糙度方面与沉积态薄膜相比有较小的变化,Cu-Nb薄膜表现出优良的热稳定性。Nb的加入可有效细化晶粒,达到细晶强化的效果,同时Cu-Nb不互溶的特性使得纳米晶薄膜在高温下也可保持较好的热稳定性。Nb靶溅射电流为0.5 A 时薄膜综合性能最佳,此时沉积态Cu-Nb薄膜的电阻率最低,为3.798×10^-7 Ω/m,硬度和弹性模量高达4.6 GPa和139.5 GPa,薄膜厚度为1050 nm,粗糙度R_a为4.70 nm。     

类富勒烯薄膜的载荷依赖摩擦滞后行为研究

目的研究类富勒烯薄膜(FL-C:H)的载荷相关性摩擦滞后行为。方法采用直流等离子体化学气相沉积技术(DC-PECVD)在硅基底上制备了FL-C:H薄膜,通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、高分辨透射电镜(HRTEM)和拉曼光谱仪分别表征了薄膜的厚度、元素结合能状态以及微观结构,利用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度及弹性恢复,借助往复摩擦磨损试验机考察了不同频率时变载荷条件下的摩擦滞后行为。结果以CH4和H2为前躯体制备的FL-C:H薄膜具有良好的机械性能,硬度和弹性模量分别为23.42 GPa和162.27 GPa,弹性恢复高达~82%。所制备薄膜与GCr15球配偶摩擦时,表现出良好的摩擦学性能,在循环载荷条件下表现出摩擦滞后行为。结论 FL-C:H薄膜在循环载荷条件下的摩擦滞后现象与所对应的频率有关。主要是由于大气环境下,摩擦界面处H2O、O2吸附造成氧化反应和磨损的共同作用。