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.     

一种单晶镍基合金蠕变初期的位错组态

利用ＴＥＭ研究了单晶镍基合金平行于应力轴的（１００）晶面拉伸蠕变初期的位错组态,表明：形变特征是错在γ相八面体滑移系中运动,在基体通道中,１／２〈１１０〉型位错运动相遇,发生反应而增殖;由于（１００）晶面的基体通道受压应力,位错运动阻力大,密度小,位错运动多以交滑移和Ｏｒｏｗａｎ弓入方式进行;当受拉应力通道中弓出的位错环经交滑移进入压应力通道后,入口两侧被钉扎,位错可定向弓入成为形貌类似于双端Ｆ－     

AZ31镁合金蠕变初期的变形特征

通过蠕变曲线的测定和TEM的形貌观察,研究了AZ31镁合金在蠕变初期的变形特征及组织演化规律．结果表明,蠕变初期的变形特征是：大量形变产生的(α)位错在合金的基面和非基面滑移,(α c)位错在锥面滑移．其中(α)位错通过位错分解反应可由一非基面交滑移至另一非基面．随蠕变进行,高密度的形变位错发生动态回复,可进一步束集形成位错胞和位错墙．蠕变初始阶段,在应力的作用下,适当取向的晶体发生孪生,并作为一种附加的变形机制而改善合金的韧性．     

半导体硅器件接触时粘着产生起因的原子尺度分析

目的 实现对半导体硅器件接触变形与相变转化的微观认识和理解其粘着产生起因.方法 基于分子动力学法的Morse和Tersoff混合势函数,对单晶硅受加载和卸载时的接触特性与粘着起因展开分析,并用剪切应变和配位数分别描述硅器件接触变形与相变行为.结果 加载期时,硅基与探针紧密接触区应变程度由内到外逐渐衰减;卸载期时,应变由外到内逐渐增强,且卸载时接触边缘两侧硅原子会形成桥搭,表明硅基与探针接触时存有粘着,该粘着是诱导硅基原子粘附于探针表面的主因.粘着产生是由于硅基受载时,硅发生相变转化的键能被破坏引起.加载期积累的部分应变能在卸载时得以释放,以致硅基与探针紧密接触区的部分破坏原子粘附于探针外围轮廓,而产生明显粘着增强.另外,加载和卸载时的硅基相变主要以Bct5-Si为主,且单晶硅粘着接触变形与相变行为受温度依赖性显著.温度越高,硅基表面容易有随机粗糙波纹出现,卸载时更容易受温度影响而产生粘着增强效应,这是诱导半导体微/纳器件失效的根本原因.结论 半导体硅器件的动态接触变形与相变转化受温度依赖性显著,温度升高引起的材料软化变形是造成粘附增强的主要原因.此次研究对高温重载工况的半导体器件接触行为和粘着起因的理解有更深层次认识.     

垂直晶界铜双晶体的循环形变行为

本文通过对取向近垂直晶界铜双晶体进行塑性应变控制循环变形,在表面滑移形貌及饱和位错组态观察的基础上,研究了其循环应力－应变响应．结果表明该铜双晶体循环应力－应变（CSS）曲线具有两个饱和轴向应力基本不变的平台区．即在塑性应变范围1．80×10-4－1．35×10-3对应于饱和应力幅62—64MPa及在塑性应变范围2．04×10-3—2．56×10-3对应于饱和应力幅70—71MPa．讨论了组元晶体的相对取向对其滑移形貌、饱和位错组态及CSS曲线的影响。     

垂直晶界钢双晶体的循环形变行为

本文通过对取向近垂直晶界铜双晶体进行塑性应变控制循环变形,在表面滑移形貌及饱和位错组态观察的基础上,研究了其循环应力－应变响应．结果表明该铜双晶体循环应力－应变（CSS）曲线具有两个饱和轴向应力基本不变的平台区．即在塑性应变范围1．80×10-4－1．35×10-3对应于饱和应力幅62—64MPa及在塑性应变范围2．04×10-3—2．56×10-3对应于饱和应力幅70—71MPa．讨论了组元晶体的相对取向对其滑移形貌、饱和位错组态及CSS曲线的影响。     

TiC颗粒增强钛基复合材料的形变

研究了TiC颗粒增强钛基复合材料增强颗料和基体之间的不均匀形变,得出颗粒和基体之间的形变过程中产生形变摩擦阻力,通过弹塑性力学计算出的TiC/Ti界面上颗粒阻碍基体变形力为TiC强度的0．6倍,阻碍基体中滑移的进行,使基体得到强化。另一方面,当界面上的形变应力同基体的某个晶面形成位错源时,可放出位错环,使应力得到释放,同时增加基体的位错密度,位错互相缠绕形成胞状亚结构,强化基体。     

FGH95粉末镍基合金蠕变期间位错网的形成与分析

采用TEM观察和衍衬分析研究了FGH95粉末镍基合金蠕变期间的位错组态.结果表明,蠕变初期,1/2〈110〉位错在γ基体{111}晶面开动,使位错不断增殖.蠕变稳态阶段,2组不同Burgers矢量的位错可能滑移至同一晶面并相遇,反应后形成六角位错网络,或在不同滑移晶面相交.形成具有四边形特征的位错网络.位错网的形成可降低位错可动性并抑制位错交滑移,提高合金蠕变抗力.蠕变后期变形特征是形变位错在γ/γ′界面位错网损坏处切入γ′相,切入γ′相的位错可发生分解,形成不全位错和层错的位错组态.     

一种无铼二代镍基单晶高温合金蠕变机制研究

通过对一种镍基单晶合金中温高应力条件下的蠕变曲线的测定和微观组织及断裂后合金中位错组态的衍衬分析,研究中温高应力条件下单晶合金的组织演化及变形特征。结果表明:在中温高应力条件下,该合金的蠕变激活能Q为(462±20)kJ/mol,表观应力指数na=4.34。表明在试验温度和应力范围内,合金具有较好的蠕变抗力。位错组态衍衬分析表明,蠕变期间切入相内的<110>超位错既可在{100}立方体滑移系中运动,也可在{111}八面体滑移系中运动;位错在运动中相遇发生位错反应,形成的超位错可交滑移至{100}立方体滑移面。位于2个不同{100}六面体滑移面的位错在运动中相遇,可发生位错反应,生成的位错可在{111}八面体滑移系中运动。     

Ti-1300合金室温变形行为研究

利用OM和TEM系统研究了Ti-1300合金的室温变形行为。结果表明:Ti-1300合金在不同温度下进行固溶处理后进行拉伸变形,在应力-应变曲线上没有出现双屈服的现象;Ti-1300合金因含有较多的β稳定元素引起β相的稳定性增加,在室温变形机制主要是位错滑移和孪生;塑性变形过程中位错将产生滑移、缠结和割阶等交互作用,随着塑性变形量增加10%,Ti-1300合金的显微硬度约增加210 MPa。     

单晶Cu材料纳米切削特性的分子动力学模拟

建立了单晶Cu纳米切削的三维分子动力学模型,研究了不同切削厚度下纳米切削过程中工件缺陷结构和应力分布的规律.纳米切削过程中,在刀具的前方和下方形成变形区并伴随缺陷的产生,缺陷以堆垛层错和部分位错为主.在纳米尺度下,工件存在很大的表面应力,随着切削的进行,工件变形区主要受压应力作用,已加工表面主要受拉应力作用.随着位错在晶体中产生、繁殖及相互作用,工件先后经过弹性变形——塑性变形——加工硬化——完全屈服4个变形阶段,随后进入新的循环变形.结果表明:工件应力-位移曲线呈周期性变化;切削厚度较小时,工件内部没有明显的层错产生,随着切削厚度的增大,工件表面和亚表层缺陷增加;切削厚度越大,对应应力分量值越小.     

面心立方金属材料压入初期突变现象的位错机制

接触应力是引发金属构件形变与失效的重要来源之一。为了理解材料的力学行为与失效机制,研究者对接触条件下位错的产生与运动开展了大量研究。然而由于实验技术的限制,对接触初期塑性变形机理的认识仍较为薄弱。近年来得益于原位表征和高测试精度的优点,仪器化纳米压入技术被陆续地应用于研究材料接触初期变形行为,尤其针对面心立方结构(FCC)的金属材料,结合模拟分析与微观表征,大大促进了对相关位错行为的理解。因此,在简要介绍仪器化纳米压入技术的特点、模型及应用的基础之上,首先,介绍了纳米压入接触初期载荷-位移曲线的突变现象,讨论了其与位错行为的关系;其次,重点以面心立方金属材料为对象,从位错萌生和位错运动与反应两个方面分别介绍了二者与突变现象的关系,并结合文献报道,详细讨论了压入过程位错萌生的影响因素,以及位错运动与反应机制;最后,进行了总结和展望,提出借助多种先进实验和模拟方法的交叉使用,将有助于揭示接触条件下的位错行为,从而为仪器化纳米压入技术的发展和理解接触条件下金属材料的变形与失效提供理论基础。     

一种单晶镍基合金的高温蠕变损伤

测定了[001]取向单晶镍基合金的蠕变曲线,并利用SEM和TEM对蠕变后期的微观组织结构进行了观察结果表明：蠕变第三阶段结构特征是大量位错切入筏状γ'相．降低了台金的蠕变抗力两个滑移系统交割产生滑移台阶,连续的交替滑移使筏状γ'相发生扭曲、并产生微裂纹是蠕变断裂的直接原因     

一种镍基单晶高温合金870℃高周疲劳变形微观结构研究

摘 要：本文研究了一种镍基单晶高温合金在870℃℃时的高周疲劳性能及其变形组织结构。结果表明：该合金的疲劳寿命随着应力水平的升高而减小,870℃℃时光滑试样的疲劳强度为443MPa;利用透射电镜（TEM）观察疲劳循环试样的位错组态,发现在疲劳变形的初始和中期阶段,位错组态主要为界面位错,位错在基体通道中{111}面运动,并交互反应形成3维位错网络结构。当应力水平提高到550MPa以上时,在变形的末期,观察到高密度位错集中于位错滑移带及位错切入??r" 相现象。在循环应力和高温叠加作用下,基体通道中诱发析出大量圆形细小二次?r’? 相。二次?r"?相的析出有益于阻止基体位错的滑动,抑制位错切入?r"?相,有利于提高合金的疲劳强度。     

多晶与单晶铜塑性变形行为的相关性

利用TEM分析拉伸变形多晶铜中不同取向晶粒的位错组织, 研究了多晶与单晶形变行为的相关性. 结果发现, 多晶铜中诸晶粒的形变显微组织可分为3种不同类型, 而且组织类型与其相应晶粒的晶体学取向存在密切的相关性; 根据多晶中不同类型组织的体积含量, 结合相应取向单晶的应力应变曲线, 计算出了多晶的应力应变曲线, 其结果与实测曲线相似.     

基于全原子模拟的铜/石墨烯塑性变形行为与力学强化性能分析*

对铜 / 石墨烯塑性变形行为与强化性能分析对膜-基界面耦合提升金属材料使役性能起促进作用,也为纳米铜强韧机制理解提供有益参鉴价值。基于纳米压痕法对石墨烯膜-单晶铜基底的接触特性展开全原子模拟。分析基底表面有无石墨烯、覆石墨烯层数、基底晶面不同的塑性变形行为与力学强化性能,探讨石墨烯边界效应的褶皱对界面接触质量与强化性能的影响。研究表明：对铜 / 石墨烯而言,纳米压痕时的载荷与位移曲线保持线性关系,主要源于石墨烯面内弹性变形呈均匀化; 相比纯铜,铜表面覆石墨烯的承载性更高,其弹性模量与硬度随覆石墨烯层数增加而线性增大。结果指出：铜表面覆三层石墨烯的硬度与弹性模量比纯铜提高约 7.4 倍,其强化效应源自石墨烯受载产生的面内均匀弹性变形与压头?膜基界面接触质量的协同作用;石墨烯褶皱处的应力集中易诱驱铜上表面产生类褶皱波纹的塑性变形痕迹。相比双边界固定的石墨烯而言,单边界固定的石墨烯褶皱变形更大,界面接触质量有所增加,而强化效果相比却降低 28%。当覆石墨烯层数相同时, 不同晶面铜 / 石墨烯的力学性能和膜?基界面塑性变形有着显著各向异性特征。研究结果对微机电系统金属器件力学性能提升有重要作用。     

Modeling of nanoscale friction using molecular dynamics simulation

利用分子动力学方法模拟了刚性金刚石压头在Ni单晶体上的滑动过程, 讨论了压入深度对 摩擦力的影响(压入深度对滑动过程中压头下方的微结构演化(能否发射位错环)有很大影响). 结 合摩擦过程中的塑性行为和能量耗散机制, 解释了产生摩擦力锯齿形曲线的原因, 证实了位错的形 核及湮灭是黏--滑机制的原因之一. 不同滑动速度对摩擦力影响的模拟表明, 压头的滑动速度决定 了压头下方位错环的运动和演化形式: 在高速滑动下, 形成的位错环依次沿着滑移面很快向Ni单晶 基体内扩展; 在低速滑动下, 压头下方产生的位错环互相发生作用, 在材料的亚表面形成较低能量的 大位错环, 由此产生的塑性变形主要集中在材料的亚表面.     

铜单晶循环变形饱和阶段疲劳裂纹萌生及表面区域内应力分布的模拟

利用扫描电镜电子通道衬度(SEM—ECC)技术观察了循环变形饱和阶段Cu单晶样品中近表面区域的位错微结构．在样品边缘一些条带状或斑点状呈黑色的位错组织区,利用离散位错动力学方法模拟了该区的位错微观结构,并计算了与此位错微结构相对应的内应力分布,模拟和计算结果表明,黑色区是内应力出现最大值区,即应力集中区,它与驻留滑移带(PSB)中的不均匀变形有关,是疲劳裂纹萌生最可能的位置．模拟和计算结果很好地解释了这一现象．     

纳米尺度摩擦过程的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了刚性金刚石压头在Ni单晶体上的滑动过程,讨论了压入深度对摩擦力的影响(压入深度对滑动过程中压头下方的微结构演化(能否发射位错环)有很大影响).结合摩擦过程中的塑性行为和能量耗散机制,解释了产生摩擦力锯齿形曲线的原因,证实了位错的形核及湮灭是黏-滑机制的原因之一.不同滑动速度对摩擦力影响的模拟表明,压头的滑动速度决定了压头下方位错环的运动和演化形式:在高速滑动下,形成的位错环依次沿着滑移面很快向Ni单晶基体内扩展;在低速滑动下,压头下方产生的位错环互相发生作用,在材料的亚表面形成较低能量的大位错环,由此产生的塑性变形主要集中在材料的亚表面.     

体心立方金属钨Ⅱ型微观裂纹的多尺度模拟研究

本文采取多尺度准连续介质计算模拟方法(quasi-continuum method, QC),对纳米量级体心立方(body-centered-cubic, BCC)金属钨Ⅱ型裂纹尖端缺陷生成和破坏过程进行计算模拟,得到系统的载荷位移曲线,以及加载过程中裂纹尖端原子位移图像。凭借QC方法的原子精确和较高的计算效率,共观察到了裂纹尖端五次全位错形核和发射现象。模拟结果表明,宏观载荷位移曲线各突降点对应的微观本质是裂纹尖端位错的形核和发射;位错的运动具有不连续性和周期性等特点;位错数量不断增加和快速运动最终导致Ⅱ型裂纹开裂和破坏。根据模拟结果,定量化统计得到全位错位置和加载位移的关系曲线,说明了位错的运动规律：全位错会在裂纹尖端稳定位置形核,并且后续会有不连续的周期性发射;新位错的形核会导致原位错的发射,并且随着全位错数量的增加,位错整体运动速度加快。最后,根据不稳定层错能理论和微观尺度的力平衡方程,对位错形核的初始位置做了理论计算,并对位错运动规律进行机理分析,得到的理论结果与模拟结果相一致,验证了模拟结果的正确性。