应力预释放对单晶硅片的压痕位错滑移的影响

单晶硅片的压痕位错在一定温度下的滑移距离反映了硅片的机械强度. 压痕位错的滑移是受压痕的残余应力驱动的, 因此研究残余应力与位错滑移之间的关系具有重要的意义. 本文首先采用共聚焦显微拉曼术研究了单晶硅片压痕的残余应力经过300或500 ℃ 热处理后的预释放, 然后研究了上述应力预释放对压痕位错在后续较高温度(700–900 ℃)热处理过程中滑移的影响. 在未经应力预释放的情况下, 压痕位错在700–900 ℃热处理2 h后即可滑移至最大距离. 当经过上述预应力释放后, 位错在900 ℃热处理2 h后仍能达到上述最大距离, 但位错滑移速度明显降低; 而在700和800 ℃时热处理2 h后的滑移距离变小, 其减小幅度在预热处理温度为500 ℃时更为显著. 然而, 进一步的研究表明: 即使经过预应力释放, 只要足够地延长700和800 ℃ 的热处理时间, 位错滑移的最大距离几乎与未经预应力释放情形时的一样. 根据以上结果, 可以认为在压痕的残余应力大于位错在某一温度滑移所需临界应力的前提下, 压痕位错在某一温度滑移的最大距离与应力大小无关, 不过达到最大距离所需的时间随应力的减小而显著增长.     

纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析

采用准连续介质法模拟了单晶铝纳米压痕试验过程,分析了不同宽度的刚性矩形压头所引起的初始塑性变形特点,获得了载荷-压深、应变能-位移和硬度-压深曲线.从位错理论的角度分析了压头尺寸对纳米压痕测试结果的影响.研究发现:随着压头宽度的不断增大,压头下方位错形核所需要的载荷和压深程度增大,需要的应变能增加,应变能的变化速率递增,纳米硬度值减小,呈现出明显的尺寸效应.同时表明在一定的压入深度下,硬度与压头尺寸之间存在着一定的比例关系,不同尺寸压头获得的硬度值可以相互换算,但当矩形刚性压头宽度大于或等于120时这种尺寸效应消失.研究结果为纳米压痕实验过程中压头尺寸的选择提供了参考依据.     

考虑压头曲率半径和应变梯度的微压痕分析

在压头尖端曲率半径取100nm的前提下，采用Chen和Wang的应变梯度理论，对微压痕实验进行了系统的数值分析. 首先通过拟合载荷-位移实验曲线的后半段来确定材料的屈服应力和幂硬化指数值,然后用有限元方法数值模拟压痕实验，并将计算得到的整段载荷-位移曲线及硬度-位移曲线和实验结果进行了比较. 结果表明应变梯度理论所预测的计算结果和实验结果很好地符合,包括压痕深度在亚微米和微米范围内的整段曲线.     

泡沫金属压痕试验的数值模拟及其反演

在理论研究的基础上，将泡 沫金属压痕试验的有限元数值模拟结果与用无量纲分析法构造出的一系列无量纲函数相结 合，建立了泡沫金属压痕试验中载荷-压痕深度关系曲线与泡沫金属的弹塑性材料参数之 间的联系. 利用这种联系，就可以实现用压痕试验通过反演分析来确定泡沫金属的材料参数. 研究结果表明，泡沫金属材料的杨氏模量，屈服强度及塑性可压缩因子等参数均可由其压痕 试验唯一的确定，但其塑性平台区终点应变的确定还需进一步的研究.     

镍单晶薄膜纳米压痕的准连续介质模拟

用准连续介质方法模拟了大规模原子的镍薄膜在纳米压痕下发生初始塑性变形的行为.主要得到了:(1)载荷-位移响应.在载荷位移曲线上除了反应晶体弹性性质的直线外还有数次的载荷突然下降过程.(2)位错形核现象.与载荷-位移曲线上的载荷突然下降相对应的在受压的晶体上发现了位错形核现象,说明载荷的下降是因为位错形核引起的.(3)位错的发射机制.用Peierls-Nabarro位错模型以及能量法分析了位错的发射机制,理论值与计算值吻合较好.(4)几何必需位错密度.用一个简单的模型计算了几何必须位错密度.此外还考虑了边界条件对模拟结果的影响.     

界面结构对Cu/Ni多层膜纳米压痕特性影响的分子动力学模拟

金属多层膜调制周期下降到纳米级时,其力学性质会发生显著改变. Cu-Ni晶格失配度约为2.7%,可以形成共格界面和半共格界面,实验中实现沿[111]方向生长的调制周期为几纳米且具有异孪晶界面结构的Cu/Ni多层膜,其力学性质发生显著改变.本文采用分子动力学方法对共格界面、共格孪晶界面、半共格界面、半共格孪晶界面等四种不同界面结构的Cu/Ni多层膜进行纳米压痕模拟,研究压痕过程中不同界面结构类型的形变演化规律以及位错与界面的相互作用,获取Cu/Ni多层膜不同界面结构对其力学性能的影响特征.计算结果表明,不同界面结构的样品在不同压痕深度时表现出的强化或软化作用机理不同,软化机制主要是由于形成了平行于界面的分位错以及孪晶界面的迁移,强化机制主要是由于界面对位错的限定作用以及失配位错网状结构与孪晶界面迁移时所形成的弓形位错之间的相互作用.     

SiC/Al2O3纳米复合材料压痕残余应力压谱法测量研究

利用压力荧光光谱法研究了5％ SiC／Al2O3纳米复合材料压痕周围残余应力的大小及其分布规律。结果发现在压痕区及压痕周围10μm的应力区范围中,荧光R-线明显增宽,而且压应力与离压痕中心距显著相关。通过获得的R双峰(R1和R2荧光光谱)频率变化,计算了压痕区及其周围复杂应力场中的等静压力。结果表明：沿着压痕区主对角线方向和边界垂直平分线方向,其应力分布存在十分相似的变化规律。同时发现在压痕周围存在着对称残余应力区。     

Sm2Co17型永磁材料弹塑变形阶段的微纳压痕尺寸效应

采用准静态法分别对固溶态和最终态Sm₂Co₁₇型永磁的两种取向面样品进行了纳米压痕分析。结果表明,两类磁体不同取向面上的硬度和弹性模量均出现了随着压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应。基于Nix-Gao模型的硬度与压入深度拟合结果表明,两种磁体的硬度H₀和特征长度h~*均呈现出明显各向异性。较大的h~*值揭示出最终态磁体在较大的压入深度范围内可观察到明显的尺寸效应现象。进一步地,通过计算反映压痕尺寸效应强弱的效应因子i可知,最终态磁体的i值均比固溶态磁体的大,其中在取向平行加载方向时,i值高出58%。最终态Sm₂Co₁₇磁体中存在的胞状组织结构增强了尺寸效应因子,进而改善了Sm₂Co₁₇型磁体在弹塑变形阶段的塑性。     

纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴 进行界定，然后介绍纳米力学方法，包括属于纳观计算力学范畴的大规 模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法 和LMPM方法；及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即 阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂 力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

FCC铝纳米压痕的多尺度模拟

采用准连续介质方法模拟面心立方(FCC)铝单晶薄膜在纳米压痕下产生的变形过程.分别用四种不同的压头宽度,得出载荷-位移响应曲线和应变能变化曲线,发现压头宽度越大,晶体产生塑性变形的临界载荷越大;临界载荷的大小和采用能量理论预测的大小基本一致;模拟过程中,观察到位错成核现象,了解到载荷-位移响应曲线的突降是由位错成核现象所引起,四种情况中压头载荷的降幅大致相同;最后分析了模型在原子层次下的变形机理.