碳离子注入前后单晶硅的摩擦性能对比

以不同剂量的碳离子注入得到不同单晶硅片试样,用原位纳米力学测试系统对其纳米硬度和弹性模量进行测定;在UMT-2型摩擦试验机上进行摩擦试验,用S-3000N型扫描电镜观察其磨损后的磨痕形貌。结果表明:碳离子注入后硅片的纳米硬度和弹性模量略高于注入前的单晶硅片,注入后硅片的减摩效果和耐磨性能在0.1~0.3 N载荷下得到了大幅度提高,当载荷增加后,摩擦因数迅速增加并产生磨损痕迹;离子注入前后单晶硅片的磨损机制近似,都以涂抹形貌为主,局部出现剥落现象。     

离子注入提高金属材料耐磨性的初步研究

本文介绍利用国产200KeV离子注入机,能量60～100KeV,剂量(2～8)×10~(17)/cm~2的氮离子注入,提高金属材料耐磨性的研究结果。YW_1硬质合金车刀,经离子注入后比没有注入的磨损减少一半,YG8钢丝拉丝模和YG3铜线扭丝模离子注入后的使用寿命分别提高2.2倍和2.4倍。利用X射线衍射仪,X射线应力分析仪,离子探针,扫描电镜等对离子注入后的金属表面分析结果表明:离子注入使金属表面晶格产生畸变,使金属表面产生应变硬化,注入杂质原子与位错交互作用,使位错被钉扎,位错运动受到阻碍,在磨损过程中,注入氮原子不断向内部推移,从而提高了材料的耐磨性。     

薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响

为了研究薄膜厚度对Si基SiO_2薄膜力学性能的影响规律,利用纳米压痕技术及有限元模拟方法对不同厚度的Si基SiO_2薄膜材料进行测试,分析了不同厚度薄膜的硬度及弹性模量等力学性能,讨论了不同压深膜厚比对不同厚度薄膜弹性恢复率的影响,并在试验的基础上,建立了有限元模型,模拟了不同厚度薄膜在相同压深下的载荷位移关系,分析了薄膜的弹性恢复性能。结果表明:SiO_2薄膜越厚其弹性模量越小,而薄膜的硬度在薄膜较薄时压痕的尺寸效应更明显,并利用模拟进一步分析得出薄膜越薄弹性恢复性能越好。     

Ag-GNSs/SnAgCu钎料纳米压痕变形行为研究

为了研究Ag-GNSs/SnAgCu钎料在微纳米尺度下的变形行为,采用恒加载速率/载荷法在室温下对复合钎料进行纳米压痕试验,通过载荷-压痕深度曲线分析,并结合压痕形貌,研究载荷-压痕深度曲线中出现屈服台阶(pop-in)现象的机制,以及复合钎料在纳米压痕试验中的变形情况。结果表明,载荷-深度曲线中存在的"pop-in"是由于纳米压痕过程发生了弹塑性变形的转变。弹塑性转变与位错的形核与生成有关,并且通过透射电子显微镜在压痕点附近观察到交错的位错网络。通过观察复合钎料的压痕形貌,发现了压痕附近存在明显的凸起现象,这与材料的屈服应力与弹性模量之比有关。凸起现象将导致通过Oliver-Pharr方法计算的接触面积比实际值小,而引起纳米压痕试验方法测量的硬度和弹性模量数值偏大。应用"半椭圆模型"对产生凸起现象的接触面积进行修正,再基于Oliver-Pharr方法求得硬度和弹性模量,修正后的结果与修正前相比,硬度降低了18.3%,弹性模量降低了9.5%。     

有孔纳米单晶铜薄膜拉伸断裂特性的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟有孔纳米单晶铜薄膜的拉伸断裂过程.通过施加拉伸应变驱动原子运动和小孔变形,展示有孔纳米单晶铜薄膜随应变增加的原子位形直观分布;超过弹性极限后,位错发生于小孔的应力集中处.计算所得原子平均能量随变形的增长趋势,结果表明,有孔纳米单晶铜薄膜的变形机制可以显著地分为三个阶段,弹性延伸、塑性滑移、沿位错线开裂.     

碳离子注入前后硅片的微动磨损行为研究

利用离子注入技术对单晶硅片表面进行碳离子注入,用原位纳米力学测试系统对碳离子注入前后硅片的纳米硬度和弹性模量进行测定,在UMT-II型微摩擦试验机上对其开展微动磨损试验,利用S-3000N型扫描电镜观察其磨损后的磨痕表面形貌.结果表明,碳离子注入后硅片的纳米硬度增加,弹性模量降低,减摩效果和抗磨性能得到了提高;注入前后硅片的微动磨损机制相似,主要磨损形式为磨粒磨损.     

不锈钢方轨形靶PIII处理及流体力学模拟*

对方轨形AISI304不锈钢靶进行了氮的等离子体浸没离子注入(PI II)处理,试验结果表明,表面硬度明显提高,摩擦学特性也得到显著改善。其中上表面的 改 性效果明显优于侧表面。利用二维流体模型对注入过程中等离子体行为进行了模拟研究,结 果表明：最大的注入剂量发生在上表面的中心区,在侧表面附近由于离子受到底面的竞争吸 引,而使注入的剂量明显低于上表面,因而得到不同的改性效果。     

注入氮离子和氩离子后钢的无润滑磨损行为

一、概述离子注入工艺现已用来改进钢和其它金属及其合金的磨损阻抗。1979年我们的实验表明:将氮离子注入到钢中可以明显地改善钢的磨损性能。但是,注入的剂量必须大于10~(17)N~+/cm~2。如果注入剂量小于10~(17)N~+/cm~2,钢的磨损性能不可能得到明显改善(见图1)。高剂量的注入,会使材料表面受到辐照损伤。在受离子轰击的区域内,将产生间隙群空穴串、位错网等缺陷。加之,外来原子的注入,造成被离子轰击的区域体积增加,出现肿胀,产生横向压应力。离子注入后究竟是什么原因改善了钢的磨损阻抗,是注入后形成的缺陷或注入后表面层产生的横向应力所致,还是注入外来原子起了作用。为了进一步究明其原因,我们继续进行了实验研究,现将该实验的方法、结果     

晶体塑性模型在单晶铜低周疲劳行为中的应用

关注循环载荷作用下晶体滑移变形中的非线性硬化现象,用改进的晶体塑性模型刻画单晶金属在循环载荷作用下的变形机理.通过试验和数值模拟,研究单晶铜在循环载荷作用下的Bauschinger效应、滞回特性和循环硬化等循环塑性现象.所得结果表明,文中提出的模型可以有效地描述单晶金属在循环载荷下的非线性变形过程,可以与有限元方法结合,用数值模拟再现试样在循环加载中的Bauschinger效应、滞回特性和循环硬化等塑性变形行为.     

AFM的纳米硬度测试与分析

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验。实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷－压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。     

DD3镍基单晶合金非对称循环载荷低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验，表明晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著影响，[001]取向寿命最长，[111]取向寿命最短。用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响；引入参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响，它与循环寿命之间呈幂函数关系。根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素，提出循环塑性应变能的计算方法，构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量，它们与塑性应变能之间呈幂函数关系。用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型，利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析，所有试验数据均落在2．6倍偏差的分布带内。     

单晶铝纳米切削过程分子动力学模拟技术研究

运用分子动力学模拟技术建立单晶纳米切削模型,对纳米切削过程进行模拟,从分子间作用力和位错的角度对切屑形成过程和纳米加工表面的形成机理进行分析,并对切削刃刃口半径的大小和刀具磨损对已加工表面质量的影响进行研究。     

碳化硅及其颗粒增强铝基复合材料超精密加工研究进展

针对碳化硅及其颗粒增强铝基复合材料超精密加工的研究状况,重点关注了碳化硅超精密切削过程中的脆塑性转变以及铝基碳化硅的加工表面形成机理,对其加工过程中切削力、表面形成、刀具磨损、切屑形成等超精密加工过程中的机理以及各自超精密加工过程中的特点及各种其他影响因素进行了分析和总结,以期全面了解碳化硅及其颗粒增强铝基复合材料超精密加工的研究进展。     

碳离子注入对硅片微动磨损性能的影响

对单晶硅片〈111〉进行了注入剂量为2×10~(16) ions·cm~(-2)、注入能量分别为60 keV和80 keV的碳离子注入,采用X射线衍射仪研究了碳离子注入前后硅片晶体结构的变化,采用UMT-2型微动摩擦试验机进行了微动摩擦磨损试验,采用超高精度三维形貌仪测量了硅片的磨痕深度,采用S-3000N型扫描电子显微镜分析了硅片的磨损形貌及磨损机理。结果表明:碳离子注入改变了硅片的晶体结构,使晶体无序化;硅片的摩擦因数和磨痕深度均随着载荷、微动振幅的增加而增大;碳离子注入后硅片的减摩效果和抗磨性能得到明显改善,当载荷达到一定值后,随着时间的延长,碳离子注入层逐渐被磨破,摩擦因数迅速增大;注入能量为60 keV硅片的减摩抗磨性能较好;碳离子注入前后硅片的磨痕均呈椭圆形,注入后磨痕面积小且表面损伤程度较轻,磨损机制以磨粒磨损为主。     

双峰结构纳米晶铜的力学行为

通过分子动力学模拟、黏塑性本构模型和纳米压痕试验验证相结合的研究方法,系统研究了双峰结构(晶粒尺寸服从统计学中双峰分布)纳米晶铜的变形机理与力学性能。结果表明：在塑性变形过程中位错首先在纳米晶铜的细晶区形核和扩展,且方向互相平行;而粗晶区的位错滑移方向相互交叉,且粗晶尺寸越大,越容易发生位错缠绕和交滑移。双峰结构纳米晶铜的流变应力随着粗晶尺寸的增大而增大,硬度随着粗晶体积分数的增大而减小。由黏塑性本构方程计算得到的应力变化规律与由经验公式和分子动力学模拟得到的结果一致,且本构方程计算得到的流变应力和经验公式所得结果的相对误差小于5%。     

两弹塑性接触粗糙表面的静密封流量

当峰高的概率密度为指数分布时,利用泰勒公式推导了弹性载荷的近似解析解,给出了塑性载荷的严格解析解,导出了静密封流量的经验表达式。通过密封表面的泄漏量与表高标准差的3次方成正比。在塑性接触状态,存在一个临界塑性指数,当塑性指数大于临界塑性指数时,总载荷与塑性指数、粗糙度参数皆无关,量纲一的塑性泄漏量与较软材料的硬度有关,与两接触粗糙表面的复合弹性模量无关。     

带孔纳米单晶铜悬臂梁弯曲的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程。通过一端固定另一端施加横向作用力驱使原子运动,得到纳米单晶铜悬臂梁弯曲的变形图。对其不同于宏观连续介质理论的位移-载荷曲线进行分析,给出了合理的解释。结果表明:纳米尺度下的微缺陷对纳米单晶铜悬臂梁的性能具有明显的影响;尺寸效应和表面效应的影响,以及位错滑移和弛豫的综合作用,使得纳米单晶铜悬臂梁在纳米尺度下表现出与宏观尺度下不同的力学特性。     

单晶硅在氦离子注入前后的力学性能研究

以微机电系统常用的单晶硅材料和经氮离子注入单晶硅后形成的表面改性层为研究对象，在原位纳米力学测试系统上进行微压痕实验，对样品的表面纳米硬度进行了测试。同时，还通过该仪器的原子力成像功能对实验区域扫描成像，在纳米尺度下观察和分析形貌。结果表明：单晶硅在氮离子注入前后的纳米硬度值与载荷有很大关系。通过对微压痕和原子力图像的分析，表明单晶硅在氮离子注入后的纳米硬度值有所降低，其主要原因是氮离子注入后导致晶格抵抗变形的能力降低。     

单晶铜纳米压印亚表层晶体结构演变机理

为研究纳米压印中单晶铜亚表层晶体结构演变机理,采用分子动力学方法构建纳米压印仿真模型并模拟单晶铜纳米压印过程。采用改进的中心对称参数法分析单晶铜试件位错形核过程及缺陷演化机理,发现纳米压印时位错缺陷在压头下方形核并沿{1 1 1}滑移系向试件内部扩展形成堆垛层错,试件表面有原子台阶残留,试件亚表面损伤层存在V形位错等典型缺陷。针对位错形核区域及位错扩展区域材料晶体结构状态的识别,采用球谐函数法对模拟结果进行分析。由分析结果可知:位错形核区域材料晶体结构由FCC转变为排列更为紧密的HCP和ICO结构;位错扩展区域材料主要转变为DFCC结构。     

基于准连续介质理论的单晶铜纳米切削过程仿真

为了提高计算精度和扩大计算尺寸,克服分子动力学模拟方法计算效率低、模拟尺寸小、边界条件影响大等特点,本文采用多尺度准连续介质力学数值方法对单晶铜纳米切削过程进行仿真,探究单晶铜的纳米切削机理。验证了不同的刀具前角、切削厚度对切削过程中的位错、切削力和残余应力的影响。实验结果表明,当采用同一把刀具时,随着切削厚度的增加切削过程中的切削比能逐渐减小而位错深度、残余应力均相应增加。当采用同一个切削厚度,不同的刀具前角时发现,采用负前角切削过程中的切削力波动范围最大。