基于分子动力学单晶硅的纳米压痕过程研究

基于分子动力学的基本理论,在微纳米尺度下建立了单晶硅的纳米压痕分子动力学模型。研究了在纳米压痕过程中单晶硅基体的变形机理、势能变化和温度变化。研究发现:在纳米压痕过程中基体上出现了位错、空位及滑移带,基体两侧有凸起现象。当压头撤离时,基体与压头间存在颈缩现象。在系统达到平衡时系统的势能出现不同,这是因为原子位错运动使得系统增加的势能小于压头原子所做的功。温度的变化与位错变形的程度相关,位错变形越剧烈系统温度升高的越快。     

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．     

基于分子动力学模拟的纳米压痕技术研究进展

纳米压痕技术是一门在微观尺度上测量材料力学性能的新兴技术,分子动力学模拟则可对抛光、超声振动、激光加工等工艺过程进行仿真,在研究加工过程中材料受微观粒子挤压、划擦及冲击等而变化的力学性能机理方面具有显著优势,故总结了分子动力学模拟和纳米压痕技术的基本原理,对采用分子动力学模拟研究纳米压痕技术的现状进行了综述。两种先进技术的有机结合,将极大地促进材料在微观尺度下的研究进程。     

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。     

单晶硅的纳米硬度测试分析

介绍了测量硬度的几种方法,分析了纳米压痕硬度测量的基本原理。用美国原位纳米力学测试系统中的TriboIndenter对单晶硅进行了试验研究。试验结果表明,由于尺寸效应纳米硬度值随着载荷的增大而逐渐减小,纳米级的压痕试验得到的单晶硅的硬度值要高于其他传统方法测得的宏观硬度值。     

单晶硅压痕裂纹的氢致滞后扩展

利用压痕裂纹恒载荷试样，研究了单晶硅在空气中应力腐蚀以及动态充氢时氢致滞后开裂的可能性；利用卸载的压痕裂纹试样研究了残余应力引起氢致滞后开裂的可能性．结果表明，单晶硅压痕裂纹恒载荷试样当KI=KIC时在空气中并不发生应力腐蚀．在H2SO4溶液中动态充氢，则能发生氢致滞后开裂，止裂时归一化门槛应力强度因子为KIH／KIC≈0.9、卸载压痕裂纹的残余应力在充氢过程中也能引起氢致滞后开裂，归一化门槛应力强度因子为KIH／KIC≈0．9．     

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.     

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-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9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hal...     

分子动力学模拟金属玻璃压痕过程的应力晶化行为

采用Mishin镶嵌原子势,通过分子动力学方法模拟金属玻璃在压痕过程中的晶化行为,从微观结构演化的角度考察应力晶化过程中晶粒的形核、长大与合并的过程。局部较大剪切应力导致内部临近的非晶原子形成晶核,发生晶粒生长与合并的区域与Hertz理论符合。最终生成的晶粒具有面心立方结构,其(111)方向平行于剪切面。计算结果与文献中的实验现象一致,并且符合最小能量准则。     

用纳米压痕法表征钨纳米晶须的力学性能

通过化学气相沉积方法合成截面为六边形的单晶钨纳米晶须,利用纳米压痕仪和原子力显微镜对硅基底上的钨纳米晶须的力学性能进行表征。纳米压痕测试结果表明,钨纳米晶须的硬度为(6.2±1.7) GPa,弹性模量为(225±20) GPa。对比研究结果表明,钨纳米晶须的硬度与钨微米晶须的硬度相当,但比块体钨单晶高35%。这种硬度的增高是由于具有完好晶体结构的钨晶须在压痕测试中不会出现块体钨单晶中的位错崩。钨纳米晶须的弹性模量相当于钨微米晶须的80%,主要是由于纳米晶须的尺寸效应和测量过程中的基底效应所致。     

压痕功方法确定材料的纳米硬度

在综合考虑压头尖端处的钝化效应以及压痕过程中材料的自由表面积变化等因素的基础上,对确定材料硬度的压痕功方法进行了改进.用这一改进的方法分析了钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕实验数据,发现所获得的硬度值与常规的Oliver-Pharr方法所获得的结果一致.     

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。     

铱单晶的纳米压痕尺寸效应研究

采用纳米压痕技术和原子力显微镜对铱(Ir)单晶(100)和(110)取向的载荷-位移曲线、弹性模量、压痕形貌、压痕硬度-加载深度等进行了研究。结果表明,Ir(100)与Ir(110)单晶的弹性模量分别为477和493 GPa;加载深度为10~2500 nm时,Ir单晶的纳米压痕硬度存在压痕尺寸效应,在10~500nm时表现更为强烈,表明随着加载深度的增加,单晶材料的硬度减小;基于Nix-Gao模型,计算出Ir(100)和Ir(110)单晶的纳米硬度H0分别为2.32和2.46 GPa,当加载深度分别大于4910和5220 nm时,Ir单晶的纳米硬度不存在尺寸效应,可作为金属铱硬度测试的重要依据;采用硬度和深度的幂律关系计算出Ir(100)和Ir(110)单晶的尺寸效应因子(m)分别为0.44和0.48,该值远远大于其他金属和半导体材料,这种反常现象可能与铱原子间的异常强的交互作用有关。     

氢对不锈钢纳米压痕蠕变的影响

用纳米力学探针研究了氢对316不锈钢单晶纳米压痕蠕变的影响.结果表明,当可扩散氢浓度(Co≥9.7×10-6后,原 子氢能使室温饱和蠕变位移升高近一倍.室温除气后,其蠕变曲线和充氢前的曲线基本一致.这种可逆性表明,氢促进蠕变是由扩 散氢引起的.当Co≥50.4×10-6后,在室温时效过程中会形成α'马氏体和微裂纹,α'马氏体的饱和蠕变量比奥氏体要小.当 Co=174.4×10-6时,充氢过程中就出现α'马氏体, γ +α'复相组织的氢致蠕变位移升高明显比单相γ要小.     

多晶Nb的纳米压痕研究

晶界硬化和滑移越过晶界传播的机制是材料变形研究中的两个重要问题，纳米压痕技术是研究滑移与晶界关系的有效手段之一．本文利用这一技术研究了多晶Nb晶界附近的变形行为，结果表明，当压痕打在一些晶界附近时，诱导了一种位移突变现象即晶界pop-in现象．与对应于材料初始塑性的pop—in不同，这种晶界pop-in现象与晶界二侧晶粒取向差密切相关．晶界pop—in与晶界附近硬度的变化无明显关联．     

离子注入对单晶锗力学性能影响的分子动力学研究

为改善单晶锗的硬脆力学特征,用分子动力学模拟方法研究了3种不同剂量的离子注入对单晶锗表面的改性机理。分析结果表明,离子注入对锗基体造成了非晶相损伤,纳米压痕过程表现为晶格演化。纳米压痕结果揭示了非晶相的存在能够降低单晶锗的硬度和脆性,提高塑性。此外,锗基体的非晶相损伤程度和硬度与离子剂量有关。随着剂量的增加,非晶损伤程度加深,硬度降低。     

Sn-Cu-Ni焊点纳米压痕试验分析

为研究金属间化合物与无铅焊点力学性能之间的关系,采用纳米压痕法测定了Sn-Cu-Ni焊点中金属间化合物及钎料基体的弹性模量和压痕硬度等力学性能参量．结果表明,Sn-Cu-Ni焊点中（Cu,Ni）6Sn5金属间化合物的弹性模量为113．2GPa±4．8GPa,压痕硬度为5．59GPa±0．32GPa,均与钎料基体有较大差...     

氧化钛涂膜玻璃的纳米压痕实验及有限元模拟

采用纳米压痕法测定了涂覆不同厚度溶胶-凝胶TiO2纳米薄膜的玻璃基体表面的力学性能，讨论了薄膜厚度对膜-基复合系统的硬度和弹性模量的影响。结果表明：膜-基复合系统的硬度和弹性模量与TiO2薄膜的厚度无关。同时采用有限元法对压痕过程进行了数值模拟，通过与实验及文献结果相比较证明了有限元模拟的有效性。     

纳米压痕和划痕法测定 TiO2 纳米薄膜的力学性能

目的研究相同工艺条件下阳极氧化法在不同钛合金基底(TA1,TC4,TC4F136)上生成的TiO2薄膜的力学性能差异。方法采用扫描电镜结合原子力显微镜观察3种薄膜的形貌和结构,用UNHT型纳米压痕仪测试TiO2纳米薄膜的力学性能,利用纳米划痕法测试3种钛合金表面生成的TiO2薄膜与基底的结合强度及摩擦性能,用纳米压痕技术测试TiO2的显微硬度和弹性模量。结果电解液及其它电化学条件相同时,不同钛合金基底上形成的TiO2薄膜结构(管直径、管壁厚及管长度)不同。结论阳极氧化法在钛合金基底上生成的TiO2纳米薄膜的力学性能,由TiO2微观结构及其与基底的结合强度决定,微观结构和结合强度归根到底由合金中元素决定。