片层厚度对双相TiAl合金力学性能影响的纳米压痕分子动力学研究

为研究纳米压痕过程中片层厚度和γ/α2相界对双相TiAl合金变形行为及力学性能的影响,本文针对5种不同厚度的双相TiAl合金模型,采用分子动力学的方法模拟计算了金刚石压头以垂直于γ/α2相界方向分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。结果表明：材料的硬度随片层厚度的减小而增大,当片层厚度减小至7nm时,材料的硬度达到最大值,进一步减小片层厚度时,材料的硬度反而减小。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变,与硬度呈现正比关系。此外,在纳米压痕过程中,压头压入γ相时,变形行为以{111}面的层错为主,γ/α2相界会阻碍位错的运动;压头压入α2相时,变形行为以(0001)基面的堆垛层错为主,基面上Shockley不全位错的运动会导致材料表面产生相变,且棱柱面滑移被激活。     

晶粒尺寸对γ-TiAl力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-Ti Al合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-Ti Al模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-Ti Al的硬度。结果表明:当晶粒尺寸小于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-Ti Al在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

钨单晶纳米压痕尺寸效应研究（英文）

利用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对高纯钨单晶的载荷-位移曲线、弹性模量、压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化情况进行了研究。结果表明,W(111)晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现不连续现象,表明在加载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;钨单晶的残余压痕表现出堆积形貌,表明钨单晶有较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了钨单晶的纳米压痕硬度以及弹性模量,结果表明,钨单晶纳米压痕硬度和弹性模量存在尺寸效应,即随着加载深度的增加,单晶的纳米压痕硬度和弹性模量减小;采用Nix-Gao模型对钨单晶的纳米压痕力学特征进行了分析,计算了钨单晶的微观特征长度(h*)为1490 nm,无压痕尺寸效应时的纳米硬度值(H0)为6.79 GPa,尺寸效应因子(m)为0.18,即压入深度小于1490 nm时,钨单晶具有明显的尺寸效应,当压入深度超过1490 nm时,尺寸效应将减弱。当压入深度超过2450 nm时,钨单晶的纳米尺寸效应将消失。     

钨单晶纳米压痕尺寸效应研究

利用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对高纯钨单晶的载荷-位移曲线、弹性模量、压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化情况进行了研究。结果表明,W(111)晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现不连续现象,表明在加载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;钨单晶的残余压痕表现出堆积形貌,表明钨单晶有较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了钨单晶的纳米压痕硬度以及弹性模量,结果表明,钨单晶纳米压痕硬度和弹性模量存在尺寸效应,即随着加载深度的增加,单晶的纳米压痕硬度和弹性模量减小;采用 Nix-Gao 模型对钨单晶的纳米压痕力学特征和进行了分析,计算了钨单晶的微观特征长度（h^*）为1490nm,无压痕尺寸效应时的纳米硬度值（H_0）为6.79GPa,尺寸效应因子（m）为0.18,即压入深度小于1490nm时,钨单晶具有明显的尺寸效应,当压入深度超过1490nm时,尺寸效应将减弱。当压入深度超过2450nm时,钨单晶的纳米尺寸效应将消失。     

不同晶体取向Mo-Nb单晶的纳米压痕尺寸效应

采用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对Mo-Nb合金单晶(110)、(111)、(112)晶面的载荷-位移曲线、弹性模量,压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化进行了研究。结果表明,Mo-Nb单晶具有较好的塑性变形能力,Mo-Nb单晶的各晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现突进或突退现象,表明在加载和卸载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;材料的残余压痕呈现凸起形貌,表明Mo-Nb单晶有相对较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了Mo-Nb单晶的纳米硬度和弹性模量,3个晶面的纳米硬度均呈现出随着加载深度的增加而减小的趋势,表现出明显的压痕尺寸效应;3个晶面纳米硬度和弹性模量的大小关系为:(110)晶面(112)晶面(111)晶面;基于Nix-Gao模型计算了(110)、(111)、(112)晶面的无压痕尺寸效应时的纳米硬度(H_0)分别为3.96、2.61和3.47 GPa,尺寸效应因子(i)分别为0.18、0.16和0.18,微观特征长度(h*)分别为1196、2753和1559 nm。压入深度小于微观特征长度时,Mo-Nb单晶具有明显的尺寸效应,压入深度超过该长度时,尺寸效应将减弱,当压入深度分别超过4106、5645和4693 nm时,纳米压痕尺寸效应将消失。     

基于纳米压痕测试的超细晶Si_2N_2O-Si_3N_4陶瓷常温弹塑性仿真

对分别在1 600℃、1 650℃、1 700℃条件下热压烧结制备的Si2N2O-Si3N4超细晶陶瓷进行纳米压痕试验测试,获得了材料的硬度值、弹性模量值和载荷-深度曲线。考虑试验中波士压针的磨损缺陷,通过理论和数值模拟相结合的方法,确定压针的尖端球面半径RBerk=500nm。以纳米压痕试验数据为依据,利用MSC.Marc有限元仿真软件模拟纳米压痕试验压针压入材料表面的过程,反推出所测试材料的应力应变关系曲线,其屈服应力随弹性模量的减小而降低,分别为47GPa、43GPa、35GPa。通过比较分析压痕区域的应变场和应力场,分析纳米压痕试验中材料的变形特征。     

热浸铝钢等离子体电解氧化陶瓷层的微观力学特性

采用纳米压入方法表征了热浸镀铝钢表面由Al2O3层、Al层和FeAl层组成的复合涂层的纳米硬度、弹性模量及断裂韧性等微观力学性能,采用扫描电镜(SEM)观察了纳米压痕形貌,并分析了孔洞对陶瓷层的纳米压入行为和压痕裂纹扩展的影响.结果表明:等离子体电解氧化(PEO)陶瓷层中包含许多微米和亚微米尺度的细小孔洞,陶瓷层弹性模量约为226.4 Gpa,纳米硬度约为19.6 Gpa.当纳米压入深度为250 nm时,所测得陶瓷层的力学参数分散性较大.与FeAl层比较,PEO陶瓷层具有较高的裂纹扩展阻力. FeAl层纳米压痕顶端产生了沿直线扩展的径向裂纹;而陶瓷层纳米压痕中除径向裂纹外出现了侧边裂纹.     

铜基底/石墨烯涂层束缚减摩机制

目的 探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响,揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法 基于AIREBO、EAM、Lennard–Jones混合势函数和Verlet算法,采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究,结合基底位错、承载直径、划切圆角、划切刃角的变化规律,分析石墨烯涂层对法向力和摩擦力的影响。结果 在纳米压痕中,石墨烯涂层使基底压入边缘处产生了划切圆角,当压入深度为3.0 nm时,基底承载直径由4.6 nm增至8.2 nm,法向承载力由62.63 nN提高至514.32 nN;在摩擦过程中,石墨烯涂层抑制了基底表面的犁沟效应,使位错密度由0.06 nm^–2提升至0.15 nm^–2;当压入深度相同时,石墨烯涂层使基底具有更小、更稳定的摩擦因数,最终使摩擦因数降低了61.43%～77.81%;当下压力为150 nN时,石墨烯涂层使划切刃角由90°降至32°,摩擦力由75.72 nN降至21.51 nN。当Cu/Gr基底上的划切刃角由32°降至17°时,摩擦力由21.51 nN降至9.08...     

Al_2O_3-ZrO_2-Spinel三元纳米复相陶瓷超塑性变形及组织演变

采用真空热压烧结工艺制备了三元纳米复相陶瓷并进行了超塑性压缩试验.结果表明:纳米复相陶瓷中的第二相在烧结和变形过程中有效地阻止了基体Al_2O_3的晶粒长大.在1650 ℃材料表现出良好的高应变速率超塑变形能力,变形抗力小于30 MPa.微观组织观察表明由于变形过程中存在有益压应力,材料变形后晶界处未出现空洞,经变形量为60%的压缩变形后材料中存在较高密度的位错,位错主要存在于尖晶石和氧化锆第二相中,基体Al_2O_3的晶粒仍为等轴状,表明位错运动对晶界滑移起到了积极地协调作用.     

变形过程中纳米金属镍的微结构演变

利用透射电镜对冷轧变形所致纳米结构金属镍的微结构组织演变特征进行了研究.结果表明,经过轧制变形后,纳米晶的平均晶粒尺寸为50～70 mm,有少量位错结构,但没有发现位错堆积缠结;在晶界处及附近有台阶界面结构,以及与台阶形状相对应的应力场衬度.在变形后期,可以靠晶界发射不全位错从而促使层错生成,并依赖层错尺寸长大(即层错界面位错)的运动进行.而当层错尺寸长大时,其前沿局部变形应力逐渐变大,直至该应力大到一定值时,位错停止运动,层错尺寸也不再长大,并留下了台阶结构.     

Al薄膜纳米压痕过程的多尺度模拟

采用多尺度准连续介质法分别模拟无缺陷和具有初始缺陷两种状态下,单晶Al薄膜纳米压痕初始塑性变形过程,得到载荷-位移响应曲线和应变能-位移变化曲线.研究了初始缺陷对纳米压痕过程中位错形核与发射、Peierls应力以及位错发射.临界载荷的影响.结果表明,在整个纳米压痕过程中出现了多次位错形核与发射现象,初始缺陷对第1和第3对位错的形核与发射影响较小,而对第2对位错的形核与发射具有明显的推迟作用,并伴随有裂纹扩展现象;由于初始缺陷引起薄膜材料内部严重的晶格畸变,导致系统应变能和位错运动的Peierls应力增加;裂纹扩展前,发射第2对位错需要的临界载荷增加,裂纹失稳后,位错发射需要的临界载荷下降.模拟获得的纳米硬度和Peierls应力与实验结果吻合.     

聚苯乙烯薄膜表面粘弹性行为的纳米压痕研究

目的通过研究聚苯乙烯薄膜不同深度下的加载力曲线,分析得到其随着深度的不同而导致测量硬度和模量的差异,研究聚苯乙烯薄膜表面粘弹性行为,从而为高分子薄膜受限效应的理论和应用探索提供参考和借鉴。方法采用纳米压痕方法对聚苯乙烯薄膜样品(厚度约500 nm)进行了系列纳米压痕测量与分析。结果加载速率较低时,其加载曲线与P-h~2关系会发生不同程度的偏离。加载速率为0.01、0.02、0.03、0.06、0.1 mN/s时,P-h~2关系中的指数从1.609逐渐增大到1.628。通过在最大载荷时保载60 s,得到了压入深度随时间变化的关系,进而计算得到蠕变柔量,并根据Zener模型拟合得到压入深度为300~400 nm时,薄膜样品存在具有不同粘弹性的两种结构。而根据不同压入深度的卸载曲线,得到样品的硬度和折合弹性模量都在压入深度约为200~400 nm的区域存在粘弹性的非均匀现象。结论在不同压入深度处存在两种不同的粘弹性结构,根据当前人们普遍接受的高分子薄膜层模型,这两种结构分别对应聚苯乙烯薄膜样品的自由表面层和本体层。     

高压扭转大塑性变形Al-Mg铝合金中的层错和形变孪晶

利用高分辨透射电镜研究高压扭转大塑性变形纳米结构Al-Mg铝合金中的位错、层错和形变孪晶。结果表明:在纳米晶和超细晶内均存在高密度的层错和形变孪晶;形成层错的Shockley部分位错可分别由0°纯螺型位错和60°混合位错分解得到;纳米孪晶既可由晶内层错动态叠加而形成,也可由晶界向晶内不断发射部分位错而向晶内长大,从而分别实验证实了分子动力学模拟预测的均质和非均质形核长大的孪生机制;观察到了由4层层错动态叠加而形成的特殊纳米孪晶。此外,高分辨透射电镜观察表明:在不同滑移面上的层错相交时,形成层错而产生的拖曳部分位错相遇可反应生成压杆位错和Lomer-Cottrell位错锁。依据经典位错理论和晶界发射部分位错的机制,提出了描述超细晶面心立方金属和合金中层错和形变孪晶形核长大的新模型。     

TC17钛合金的微观力学性能研究

采用微米压痕测试仪对TC17钛合金进行压痕实验,对比研究了不同处理制度下的微观力学性能。基于获得的压痕载荷-位移曲线,采用Oliver-Pharr(OP)方法计算了显微硬度及杨氏模量,分析了加载过程中材料的性能随压痕深度的变化。结果显示:当压入深度小于一定值时,硬度和弹性模量变化较大,均随压入深度的增加而减小,表现出明显的尺寸效应;当压入深度超过一定值后,硬度和弹性模量趋于稳定。对比发现:处理制度对材料性能有明显影响。     

利用分子动力学研究梯度纳米孪晶Cu的微观变形机理

提出了一种新的纳米结构材料即梯度纳米孪晶界结构,并利用分子动力学方法计算了梯度纳米孪晶Cu的单轴拉伸和压痕的变形过程,分析了纳米孪晶界分布对位错机制的影响.结果表明,梯度纳米孪晶界主导的塑性变形可分为2类,不全位错主导了较厚的孪晶片层的塑性变形,较细孪晶片层的塑性变形由全位错主导.此外,提高孪晶界密度可以有效改善材料的强度和硬度.     

纳米压痕形变过程的分子动力学模拟

根据EAM多体势，利用分子动力学方法模拟了Ni压头压入Al基体的纳米压痕全过程．包括压头接近和离开基体时的原子组态；压入和上升时的载荷一位移曲线以及位错的发射和形变带的产生和变化；同时模拟了纳米尺度的应力弛豫行为．结果表明，当压头尚未接触基体时就能吸引基体原子，通过缩颈而互相连接．当压入应力Ts为1．9MPa时，基体Al开始发射位错；当分切应力Td=6．4MPa时，出现形变带．压头上升过程出现反向的拉应力，使基体反向屈服，在卸载过程中基体残留位错的组态不断改变．当压头上升离开基体后能拉着基体通过缩颈而相连，当压头和基体分离后仍粘有基体原子．在纳米尺度也存在应力弛豫现象，其原因是热激活引起的位错发射和运动．     

QUASICONTINUUM METHOD SIMULATION OF THE INITIAL PLASTIC DEFORMATION OF SINGLE CRYSTAL Cu IN NANOINDENTATION

采用准连续介质方法模拟了纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形过程. 采用3种不同宽度的纳米尺度压头, 得到了载荷-压痕位移关系曲线, 确定了 3种不同宽度压痕下位错发射的临界载荷. 临界载荷的大小与能量理论的预测结果基本一致. 通过对压头下方位移场的分析, 揭示了加载过程中位错形核的力学特征和微观结构特征; 得到了压头下方几何必需位错密度增加的一般规律. 定性地分析了卸载过程中位错的运动与湮灭.     

纳米压痕诱导单晶铜弹塑性变形分析与破坏机理研究

目的 从微观角度实现对微机电系统中微器件局部接触区域弹塑性演化过程和原子迁移演变规律的探寻.方法 运用经典分子动力学法,基于EAM和Morse混合势函数,对硬质金刚石探头与软质金属铜基底展开纳米压痕接触特性研究.结果 纳米压痕中位错环构型生成与演变有规可循,位错环在受载荷影响时,有着4个演变阶段,即位错环萌芽期→生长期→繁衍期→维持期.当载荷达到一定程度时,压痕中铜基质内密排六方结构的HCP容易与附近类似结构发生关联耦合效应,产生刃型位错和形成螺旋式位错结构,随后以脱落方式构成棱柱形位错结构,并向基底底部发射.另外,整个纳米压痕中,铜基质亚表面损伤最为严重,探头与基底接触区域两侧的位错环迁移处应力较集中.结论 纳米接触中铜基质内位错环出现与演变过程,是衡量局部接触塑性变形强弱程度的重要依据和非接触区域损伤程度的内在表现.此次研究结果对细观尺度接触变形行为有着深层次认识,也对纳尺度设计出优异摩擦学性能的微结构有着重要借鉴作用.     

MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION OF STRENGTH ENING MECHANISM OF Cu/Ni MULTILAYERS

运用分子动力学方法模拟了Cu/Ni薄膜结构在纳米压入和微摩擦过程位错的运动规律, 探讨了薄膜结构中位错与界面的相互作用规律. 结果表明: Cu/Ni多层膜结构中的层间界面会阻碍位错继续向材料内部扩展, 阻碍作用主要来自于两个方面: 界面失配位错网对位错运动的排斥阻力使其难以到达或穿过界面; 由弹性模量差而产生的界面镜像力使位错被限制在Cu单层膜内运动. 这种阻碍作用有利于提高Cu/Ni多层薄膜的力学性能.