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。     

纳米压痕有缺陷单晶硅的分子动力学分析

为了研究单晶硅中纳米裂纹对加工过程的影响,建立了单晶硅纳米压痕的分子动力学模型。在该研究中,分析了不同压痕速度对单晶硅中纳米裂纹演化的影响。对纳米压痕工艺、温度变化、势能变化、加载力、裂纹扩展、配位数等进行了深入的研究。研究结果表明,工件中的纳米裂纹在加载过程中有愈合的趋势;压头加载速度越大,工件纳米压痕区温度越高,势能越大,但加载速度对载荷变化趋势的影响不大;另外,纳米裂纹会使工件中Bct5-Si与Si-II的量显著下降。该研究为包含缺陷的单晶硅半导体的实际加工提供了理论指导。     

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．     

基于分子动力学的金属钛纳米切削过程研究（英文）

采用基于分子动力学的仿真方法建立了金属钛纳米切削分子动力学模型,选择了有代表性的切削条件,通过仿真得到瞬间原子位置图像并对切削过程中材料去除现象、加工表面形成过程、系统势能和工件温度等的变化进行了分析。发现在金属钛的纳米切削过程中切屑和加工表面是由于晶格能的释放和位错的不断延伸扩展形成的。已加工表面原子的弹性恢复和晶格重构能够减缓总势能和温度不断增加的趋势,并使其伴随有微小波动。     

纳米级铱单晶不同温度拉伸的分子动力学解析

针对面心立方金属铱单晶独特的韧脆变形特征,采用分子动力学方法研究了纳观尺度下的铱单晶在不同温度下的拉伸变形行为。通过分析不同温度拉伸过程中的应力应变关系,势能变化和原子构型图,认为随着温度的上升,纳米级铱单晶沿[100]晶向的弹性模量逐渐下降,抗拉强度也逐渐降低。温度为300 K时拉伸变形过程中在晶体内仅有少量空位和位错产生,600和800 K拉伸变形过程中在晶体内有滑移,位错和空位产生。     

基于分子动力学的金属钛纳米切削过程研究

本文采用基于分子动力学的仿真方法建立了金属钛纳米切削分子动力学模型,选择了有代表性的切削条件,通过仿真得到瞬间原子位置图像并对切削过程中材料去除现象、加工表面形成过程、系统势能和工件温度等的变化进行了分析。发现在金属钛的纳米切削过程中切屑和加工表面是由于晶格能的释放和位错的不断延伸扩展形成的。已加工表面原子的弹性恢复和晶格重构能够减缓总势能和温度不断增加的趋势,并使其伴随有微小波动。     

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。     

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。     

Au_(85)原子纳米团簇热力学性质分子动力学模拟研究

采用了Johnson的(EAM)模型并结合分子动力学方法,模拟了Au_(85)原子纳米团簇熔化和凝固过程。研究了Au_(85)原子纳米团簇熔点、凝固点以及该团簇的结构,在分析势能和热容量随温度变化关系的过程中,发现Au_(85)原子纳米团簇的熔化和凝固过程中的熔点和凝固点不是线性变化,均出现了负热容现象,并且团簇的凝固点低于熔点。为了探究出现这种负热容现象的原因,对熔化过程和凝固过程中该团簇的内部结构进行了对比。结果表明,该纳米团簇在加热熔化(降温凝固)的过程中表面原子的比例显著变化,引起团簇内部势能的急剧增加(快速减少),使得动能和势能之间相互快速转化。为了维持整个系统的能量平衡,势能-温度图像发生跳变,在物理上表现为负热容现象。     

纳米压痕过程的多尺度模拟与Rice-Thomson位错模型分析

采用多尺度准连续介质法（简称QC方法）对单晶Ag薄膜纳米压痕过程进行模拟,研究压头宽度对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度的影响,并用Rice-Thomson位错模型（简称R-T位错模型）进行分析。结果表明,纳米压痕获得的载荷-位移曲线呈现出的不连续性与位错之间的协同作用密切相关;压头尺寸对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度具有明显的影响：随着压头宽度的增加,法向和切向接触应力以及纳米硬度值递减,呈现出明显的压头尺寸效应;而压头下方薄膜内位错形核临界载荷却递增,且与压头半宽度的平方根成正比。模拟结果与相应实验结果以及R-T位错模型计算结果吻合     

金属轧制复合过程微观变形行为的分子动力学建模及研究

基于分子动力学方法研究金属层合板轧制复合过程界面区材料的微观变形行为,从力学性能和位错运动的角度,对比研究双金属FeCrNi/Fe与单金属的压缩变形,揭示非共格界面对金属微观变形行为的影响。结果表明,双金属模型与2种单金属模型在应力-应变关系和变形行为规律方面都存在明显差异;由于复合界面的存在,变形过程中双金属模型纯Fe基体中的位错在界面附近积累,界面原子的局部剪切作用使FeCrNi基体中的位错形成变得容易,降低了FeCrNi基体的屈服强度;复合界面对于变形过程中位错传播的阻碍作用,使材料抵抗塑性变形的能力得到提高,变形过程中2种金属基体内位错密度的交替变化导致2种金属基体的变形量也对应呈现交替变化的特殊现象。     

高熵合金CoCrFeMnNi纳米压痕中位移突变现象和空位活动的关联性验证

随着纳米压痕技术的进步,越来越多的数据表明纳米压痕中发生的位移突变现象不是完美晶格均质形核过程而是借助于空位的异质位错形核过程。但是这个结论主要基于通过纳米压痕力学统计模型提取的激活能和激活体积这两个参数确立的,而并未有实验直接验证位移突变或位错形核与空位之间的关联。根据先前对高熵合金的纳米压痕研究,本文通过巧妙设计的纳米压痕实验来验证这种关联性。实验发现,当施加的载荷保持在亚临界水平一段时间后,依然可以观察到位移突变;而且,位移突变的大小（位移突变结束和开始时刻的位移差）与纳米压痕的压头尺寸成正比。位移突变对时间和压头尺寸的依赖性可以通过空位的特性得到合理的解释：第一,空位在任何载荷水平下都会发生迁移,而且需要一定时间形成空位堆作为位错的形核中心;第二,空位数量与压头作用区域的体积成正比,而这个体积又与压头尺寸成正比,另一方面,空位数量又决定了位错形核的数量进而解释了位移突变尺寸与压头尺寸成正比的现象。这也就从实验上直接印证了空位在位移突变或位错形核的过程扮演着重要的角色。     

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.     

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。     

纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形的准连续介质模拟

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．     

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.     

镍基合金表面五重孪晶形成的分子动力学模拟

五重孪晶结构能够改善合金的表面性能,而关于合金五重孪晶化表面的研究较少报道。基于分子动力学模拟和纳米压痕方法,采用嵌入原子势函数(EAM)和等温等压系综(NPT),使用半径为14 nm的圆柱压头以40 m/s的压痕速度沿着[112]晶向对单晶镍基合金持续压痕,采用共领域分析法对合金在应力诱导作用下的变形行为进行了分析。结果表明,非共格孪晶界形成于四个不同{111}滑移面交叉中心附近。交叉中心处白色高能原子发射不全位错,堆垛层错产生。随着不全位错持续发射,孪晶得以形核、生长,孪晶界相继形成,最终五重孪晶形成于合金表面。合金表面中五重孪晶的形成并非源于晶界连续不断发射不全位错,而是与压痕过程中合金表面能量增加以及非共格孪晶界息息相关。     

金刚石磨粒在石墨烯润滑下三体抛光单晶硅的分子动力学研究

为了提高单晶Si材料在抛光时表面和亚表面完整性的目标。该研究中,使用分子动力学(MD)模拟金刚石磨粒在石墨烯润滑下三体抛光单晶Si的机械抛光方法。在相同的加工参数下调整抛光速度将结果进行比较。研究了纳米抛光过程中抛光力,原子位移,配位数,温度,势能,摩擦系数的数值发展和抛光表面形貌变化。分析表明,较大的抛光速度明显导致较高的温度和较高的势能。然而,较小的抛光速度并不会导致更少的缺陷原子和Bct5-SI/SI-II类型原子,以及较低的材料去除效率。最后,石墨烯润滑的三体抛光单晶硅可以很好的改善表面质量,减小材料的去除效率。     

温度对镁单晶孔洞扩展影响的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟和嵌入原子方法研究了不同温度下纳米级镁单晶孔洞的扩展和断裂过程。结果表明:温度对体系的势能和屈服强度有明显影响,体系势能和屈服应变随温度升高而增大,屈服强度随温度升高而降低;温度为100 K时,试样塑性变形的方式主要是位错运动;温度为300 K时,塑性变形的方式主要是位错运动以及少量的基面滑移;温度为500 K时,塑性变形的方式主要是非基面滑移;温度为500 K时最终断裂的应变最小,温度为100 K和300 K时最终断裂的应变大致相同。