压痕位置对多晶铜纳米压痕变形机理的影响

为研究在纳米压痕过程中微观结构多晶铜力学特性及变形机理的影响机制,采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大尺度多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜不同微观结构分别建立初始压痕位置位于晶粒、晶界面、三叉晶界、顶点团4类微观结构的纳米压痕模型,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程,计算4种模型的纳米压痕力及原子的静应力与第三应力.采用中心对称参数法分析多晶铜表面及亚表面位错演化对纳米压痕过程的影响.结果表明:探针对4种微观结构的纳米压痕过程存在显著的规律性,纳米压痕力的增长速率、纳米压痕过程位错向邻近晶粒扩散的难度、纳米压痕后多晶铜亚表面位错分布范围、纳米压痕过程中低维数微观结构累积原子势能的难度等均满足降序关系:晶粒、晶界面、三叉晶界、顶点团;压痕位于高维数微观结构时,其相邻的微观结构呈拉应力;而压痕位于低维数微观结构时,其相邻的微观结构呈压应力.在多晶铜的纳米压痕过程中,为减少缺陷结构数量及其能量累积,降低材料的残余应力,应针对多晶铜的晶粒进行机械加工并避开顶点团、三叉晶界等微观结构.     

封面图片说明

<正>封面图片来自本期论文"晶粒度对多晶铜纳米压痕表面变形机理影响",是哈尔滨工业大学郭永博教授课题组制作完成的多晶铜纳米压痕的分子动力学仿真展示.该课题组采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大规模多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜Hall-Petch效应曲线建立具有不同晶粒度的多晶铜模型并与单晶铜纳米压痕模型对比,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程.结果表明:具有不同晶粒度的多晶铜纳米压痕过程存在显著的规律性,单晶铜压痕力     

合金元素比例对铜铅合金纳米拉伸力学特性的影响

铜铅合金由于铜的高塑性、高强度以及铅的自润滑功能,是经过实践检验证明的优良减磨材料,广泛应用于精密机械和航空航天领域中.为研究元素比例在铜铅合金材料纳米拉伸过程中对其力学特性的影响,采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大规模多晶铜分子动力学模型,在此基础上,采用混合蒙特卡洛/分子动力学方法(hybrid Monte Carlo/molecular dynamics, MC/MD)建立铜铅合金模型.根据真实铜铅合金比例成分建立具有不同铅原子比例的铜铅合金模型并与多晶铜纳米拉伸模型对比,模拟计算多晶体及铜铅合金的纳米拉伸过程,计算各模型的缺陷结构的配位数、内应力、原子势能等参数.结果表明:具有不同元素比例的铜铅合金纳米拉伸过程存在显著的规律性,铜铅合金和多晶铜的静水压力及势能分布相似,铅原子能够抑制铜铅合金晶界处位错的形核与扩展从而使合金材料结构更稳定,合金材料塑性变形过程中晶粒和晶界的势能变化特点相反,铅原子的加入主要影响晶界状态,晶界结构组成在合金塑性变形过程中具有主要作用.因而,通过改变铜铅合金中的元素比例,可改变合金材料各方面性能,本文的研究结果为制备高性能铜铅合金材料提供一定的理论指导.     

纳观金属材料拉伸强度的影响因素

应用分子动力学中嵌入原子法(EAM)势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程,得出具有完整结构和各种缺陷结构模型拉伸时的强度极限应力,并分析了缺陷对模型拉伸强度的影响.结果表明:孔洞会降低纳米金属材料拉伸强度,表面缺陷是降低纳米金属材料拉伸强度的最主要因素,不同大小的空穴对纳米金属材料拉伸强度有不同的影响.     

角度相关函数与径向分布函数分析微组织结构

为了研究纳米加工过程导致材料组织结构的变化,采用分子动力学方法,构建了单晶铜耦合纳动纳米加工模型,并进行了纳米切削过程仿真.提出采用角度相关函数(ADF)结合径向分布函数(RDF)方法,分析单晶铜耦合纳动加工过程中材料亚表面组织结构变化.模拟结果表明,单晶铜(111)表面耦合纳动加工过程中,在材料的亚表面原子存在从密排六方排列转变为面心结构排列的不稳相变.     

纳米切削单晶铜的准连续介质法模拟

采用准连续介质多尺度方法模拟了单晶铜的纳米切削过程。分别采用原子位置图和应力分布图对纳米切削过程中局部变形进行描述,得出了模型的切削力-切削距离的响应曲线。从微观角度分析了单晶铜纳米切削过程中材料变形、材料去除机理及内部损伤情况。根据模拟结果,对切削过程中位错形核、演化过程、湮灭消失、切屑及加工表面的形成过程进行了深入的分析。从位错演化的角度解释了切削力与应变能曲线的峰谷变化。提出了纳米切削过程中材料受到刀具的挤压作用而导致位错形核。得出了在纳米切削过程中塑性材料的去除是基于位错运动演化的结论。     

单晶铜弯曲裂纹萌生和扩展的分子动力学模拟

为了在微观尺度上研究单晶铜的弯曲裂纹萌生和扩展机理,建立了单晶铜弯曲变形的分子动力学模型,应用速度标定法控制温度,采用Morse势进行了单晶铜的弯曲变形分子动力学模拟。研究表明:应变能的不断积累使晶体内部产生空位,材料的裂纹萌生于空位,空位的合并形成纳米级裂纹,后续微观裂纹的扩展类似于宏观裂纹;裂纹缺陷促进了裂纹的萌生和扩展。     

单晶铜弯曲裂纹萌生和扩展的分子动力学模拟

为了在微观尺度上研究单晶铜的弯曲裂纹萌生和扩展机理，建立了单晶铜弯曲变形的分子动力学模型，应用速度标定法控制温度，采用Morse势进行了单晶铜的弯曲变形分子动力学模拟。研究表明：应变能的不断积累使晶体内部产生空位，材料的裂纹萌生于空位，空位的合并形成纳米级裂纹，后续微观裂纹的扩展类似于宏观裂纹；裂纹缺陷促进了裂纹的萌生和扩展。     

纳米晶铜块体材料电化学腐蚀行为研究

针对纳米晶（NC）单质金属材料的腐蚀特性，研究了块体纳米晶铜的耐蚀性能.利用电化学方法，结合XRD、EDS和SEM表面分析技术，比较分析了惰性气体沉积原位温压法（IGCWC）制备的块体纳米晶铜和多晶铜在0.1 mol/L CuSO₄和0.05 mol/L H₂SO₄混合溶液中的腐蚀行为.结果表明，纳米晶铜的腐蚀呈均匀的表面溶解并伴随有不均匀的局部腐蚀，而多晶铜呈沿晶界均匀分布的晶界点蚀.纳米晶铜表面原子和晶界原子具有更高的表面活性，钝化能力大大提高，同时钝化膜的溶解速度加大.纳米试样制备过程中产生的微孔隙缺陷降低了纳米晶铜的耐蚀性.与多晶铜相比，纳米晶铜耐蚀性降低     

镍单晶纳米丝单向拉伸的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了金属镍单晶纳米丝在无热激活状态下的轴向拉伸变形过程，得出
纳米尺度下单晶镍丝的应力-应变演化关系、能量和原子构型变化以及损伤初始化与扩展过程。通过与宏
观拉伸过程的比较，模拟结果表明表面原子使纳米丝在无外荷载作用时存在系统初始应力，自由表面张力
的作用使纳米丝横截面上存在与轴向应力变化趋势一致的正交等值应力，自由表面发射位错和滑移并形成
堆垛层错和原子台阶导致纳米丝变形；表面原子偏离理想位置形成的空穴和孔洞及其连接是纳米丝损伤破
坏过程的几何特征。模拟获得镍单晶纳米丝的断裂强度为22.96 GPa。     

Molecular dynamics simulation of thermal stability of nanocrystalline vanadium

Currently, because of the thermal instability of nanocrystalline (NC) materials, there is little report on their thermal properties. Thus, for the NC, the study on their thermal sta- bility has been an urgent issue from the view of practical application and theoretical re- search. The difficulty for investigating the growth of NC material is to determine the crystal grain size precisely. Crystal grain size is generally determined by electronic mi- croscopes or X-ray diffraction[1]. Experime…     

基于单晶硅各向异性特征的纳米压痕过程有限元仿真研究

本文采用各向异性弹塑性材料本构关系,利用非线性有限元软件MSC.Marc建立了单晶硅纳米压痕过程的三维模型,分别用玻氏、维氏、圆锥形和球形压头对单晶硅（100）晶面进行了纳米压痕过程的仿真分析,研究了单晶硅对于不同形状的压头、不同压头半锥角、不同最大加载力的加、卸载响应特性。仿真结果表明,压入相同深度时,圆锥形压头所需载荷最小,材料对圆锥形和球形压入产生的应力应变分布呈现出各向异性,体现了单晶硅在不同晶向上的材料性能存在差异。当最大加载力为25mN时,仿真得出维氏压头在单晶硅（100）晶面产生的压痕深度约为300nm,与相应实验结果基本相符。     

挤压温度对高纯铜组织演变规律的影响

为了研究挤压温度对高纯铜微观组织和变形行为的影响规律,通过反向挤压方式对高纯铜进行不同挤压温度下的挤压实验并观察了其显微组织.结果表明,随着挤压温度的升高,高纯铜的晶粒尺寸增大.当挤压温度为650 ℃时,挤压棒材的平均晶粒尺寸为36 μm;当挤压温度升至800 ℃时,挤压棒材的平均晶粒尺寸为51 μm.随着变形量的增加,当挤压温度为650~700 ℃时,压余变形区的平均晶粒尺寸趋向于由60 μm变为45 μm;当挤压温度为750~800 ℃时,平均晶粒尺寸则趋向于由90 μm变为75 μm.800 ℃挤压变形后晶粒内部出现大量以Σ 3特殊晶界为孪晶界的<111>60°退火孪晶.     

多晶铜轴对称变形织构的纵向塑性各向异性

应用Taylor类多晶体塑性模型对轴对称变形下多晶铜的变形织构进行了数值模拟,分析了变形过程中多晶铜屈服应力的各向异性演化情况;计算分2步:先对随机分布多晶集合体进行轴对称拉伸,然后分别沿已变形的多晶集合体的各方向再进行拉伸变形,得到了屈服应力的取向分布及纵向塑性各向异性的直观图像,为变形织构塑性各向异性力学行为的宏观模型描述提供了一个数值实验。     

Mechanical behaviors of polycrystalline NiTi SMAs of various grain sizes under impact loading

This work presents mechanical properties of the NiTi polycrystalline superelastic shape memory alloys(SMA) of 5 different grain sizes under high-speed impacts. The amorphous, nanocrystalline(40, 80, 120 nm) and coarse grain(20 μm) sheets are manufactured with cold rolling and suitable heat treatments. A Hopkinson tensile bar is used to perform tests up to 45 m/s. Highspeed camera system and digital image correlation method are used to get the strain field and particle velocity field at a sampling frequency of 2×10~6 frames/s with a resolution of 924×768 pixels. Nominal stress-strain curves are obtained for all the sheets with a strain rate of about 1000 s~(-1) and they have a similar evolution to the quasi-static case but with much higher stress levels. The rate sensitivity is increased with the grain size and the stress level can reach up to a 70% growth for a coarse grain sheet but be totally insensitive for the amorphous sheet in the strain rate from 10~(-4) to 10~3 s~(-1). A single transformation front can be found under high-speed impact(45 m/s) at the early loading stage. The speed of the transformation front is calculated from strain time histories and the highest front speed of 811 m/s is observed which is never observed before. It also reveals that the front speed depends also on the grain size. With the same loading speed, the bigger the grain size is, the slower the transformation front speed is.