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.     

晶体位错尺寸效应的多尺度分析

本文采用准连续介质多尺度方法,分析了面心立方（fcc）晶体铝阶梯孪晶界在不同尺寸情况下（试件尺寸长高比从1：1到8：1）受剪切作用的晶界变形。了解在不同尺寸下,晶界结构位错的成核过程,得到了大试件比值与小试件比值下作用力与应变的关系曲线及不同试件尺寸下应变能的变化曲线。其中随着试件比值的增加,作用力在应变比较小的时候变化情况相似,但当应变达到3％以后,呈现出明显的不同;应变能随试件长高比的增大而减小,各个试件在各自不同的加载阶段,应变能变化趋势同作用力变化趋势相一致。本计算揭示了不同尺寸下阶梯孪晶界在剪切作用下的微观机理,证实其尺寸效应性质。     

纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

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.     

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.     

残余应力及尺寸效应对纳米压痕力学性能的影响研究

为研究残余应力对材料纳米压痕力学性能存在的影响,本文基于低阶应变梯度塑性理论(CMSG),提出了一个采用位错密度描述残余应力的理论模型。根据该理论模型构造了相应的数值积分方案,并结合有限元模型数值分析了尺寸效应和初始残余应力对纳米压痕力学性能的影响。模拟结果发现,残余应力对材料硬度和纳米压痕载荷-位移曲线有显著影响。残余压应力几乎不影响塑性影响区的大小,但由于压痕产生的压应力场和残余压应力场叠加,使得产生压痕后的应力值更大,而残余拉应力对塑性影响区有较大影响。残余应力的存在会导致样品内位错快速增殖,位错密度几乎是无残余应力的10倍。此外,该模型成功地预测了压痕尺寸效应(ISE),即随着压痕深度减小,硬度增加。模型预测结果与已有实验结果的误差在16%以内,从而验证了模型的有效性。     

纳米压痕仪接触投影面积标定方法的研究

基于Oliver与Pharr方法的纳米压痕实验以其简单方便获得广泛的应用，但众多因素对压 痕实验结果的影响范围并无明确的结论. 其中压痕接触面积的确定是一个重要环节，该因素 对实验结果，特别是小深度下的实验结果具有重要影响. 仔细分析了Oliver与Pharr 方法并进行了几种材料的纳米压痕实验，针对该方法在接触深度确定、不同深度范围下方法 的适用性进行了说明. 分析结果表明，对所有的材料使用统一的面积公式，只有在大压痕深 度时才是适用的，而在小压痕深度时可能带来较大的误差. 因此，应慎重使用由Oliver与 Pharr方法得到的小压痕深度的硬度数据.     

纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能

PZT压电薄膜的力学性能如弹性模量、硬度等对于MEMS器件的结构设计、结构响应特性、服役性能等尤为重要。薄膜材料由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材料有显著差异。本文用纳米压痕法获得了PZT压电薄膜的弹性模量和硬度，考察了基底的影响，分析了退火时间对于其力学性能的影响，以及硬度和压入深度之间的压痕尺度效应。     

纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头．介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性．在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响．对比分析了尖端曲率半径r＝0与r＝100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线．结果表明，当压头尖端曲率半径r≠0时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高．     

压头不同晶向下纳米压痕的多尺度研究

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕的影响,采用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程。通过对比不同晶向下压头在薄膜上触发的原子滑移,发现压头的晶向引起的界面失配位错在很大程度上决定薄膜开启初始原子滑移系的难易。然后对比了压头在不同晶向下测得的薄膜纳米硬度,发现其计算值是一样的。最后研究压头表面和压痕表面的正应力和切应力的分布,分析了应力分布与原子滑移系的关系。     

QUASICONTINUUM SIMULATION OF NANOINDENTATION OF NICKEL FILM

A large-scale atom simulation of nanoindentation into a thin nickel film using thequasicontinuum method was performed. The initial stages of the plasticity deformation of nickelwere studied. Several useful results were obtained as follows: (1)The response of the load versusindentation depth—on the load versus indentation depth curve, besides the straight parts cor-responding to the elastic property of nickel, the sudden drop of the load occurred several times;(2) The phenomena of dislocation nucleation—the dislocation nucleation took place when theload descended, which makes it clear that dislocation nucleation causes the drop of the load;(3)The mechanism of the dislocation emission—the Peierls-Nabarro dislocation model and a pow-erful criterion were used to analyze the dislocation emission. And the computational value was ingood agreement with the predict value; (4) The density of geometrically necessary dislocations.A simple model was used to obtain the density of geometrically necessary dislocations beneaththe indenter. Furthermore, the influence of the boundary conditions on the simulation results wasdiscussed.     

陶瓷材料相变增韧尺寸效应的力学分析

利用计及相剪切效应的陶瓷材料本构关系和裂尖场的双参数表达式对平面应变Ⅰ型裂纹定常扩展过程进行渐近分布。基于渐近场和能量积分，得到韧性增值的估算公式，并且根据数值结果和实验现象进一步讨论相变剪切塑性和应力非奇异顶的影响。     

非局部—非对称拟连续统理论

本文基于原子点阵模型,应用广义函数论,建立了非局部一非对称拟连续统理论.并讨论了非对称应力的物理—力学模型,即微观—宏观相结合的模型理论.     

面心立方铝剪切变形的准连续介质模拟

采用准连续介质多尺度方法模拟了纳米尺度单晶铝的剪切变形.分别采用三种不同晶体取向(分别为x[1-10],y[001],z[-1-10]; x[-1-12],y[111],z[-110]; x[-110],y[-1-12],z[111])和三种不同长宽比的几何模型(分别为1:1,2:1,4:1)进行模拟,得出各模型应力一应变响应曲线.加载过程中,对晶体内部变形比较剧烈的部分画出原子图,并从微观角度分析了产生剧烈变形的原因;讨论了三种晶体取向下的尺寸效应:单晶铝的剪切屈服应力随模型几何尺寸的增加而降低,并且随晶体取向的不同变化很大.最后,使用指数法则来描述模型的尺寸效应,提出了针对不同取向的指数法则参数,表明了晶体不同取向对剪切屈服应力的大小有影响.     

考虑尺度效应的微梁刚柔耦合动力学分析

不少微观实验已经证实,微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应.文章以转动刚体、柔性微梁组成的刚柔耦合系统为研究对象,采用偶应力理论(又称 Cosserat理论)研究微梁动力学特性的尺度效应,运用拉格朗日方程推导出系统考虑尺度效应的一次近似刚柔耦合动力学方程.仿真结果表明,较该文提出的一次近似耦合模型,传统的零次近似耦合模型在刚体作高速旋转时不能正确地描述微梁的动力学行为;尺度效应使微梁振动的振幅减小,频率增大.     

考虑尺寸效应的多晶金属循环塑性分析

采用多晶塑性分析方法,设材料单元包含一定数量的各向异性单晶晶粒并考虑晶粒尺寸的影响,利用Taylor假设计算材料单元的应力和应变.模型引入考虑尺寸效应的晶体滑移硬化函数,同时针对晶体滑移引入背应力及其方向性硬化的描述,以反映不同晶粒尺寸材料在循环加载条件下的力学行为,利用该模型,论文第一作者采用显式格式编制了与ABAQUS商用有限元软件接口的用户材料子程序(VUMAT),实例计算证实该模型可以反映和描述多晶金属材料在反复加载条件下的循环塑性行为与尺寸效应.     

双层金属纳米板界面能密度的尺寸效应

界面能密度是表征纳米复合材料与结构界面力学性质的重要物理量.采用分子动力学方法计算了不同面心立方金属晶体构成的双材料纳米薄板结构的界面能密度,分析了界面晶格结构形貌变化及界面效应对原子势能的影响.结果表明:双材料纳米薄板界面具有周期性褶皱状疏密相间的晶格结构形貌,界面上原子势能亦呈现周期性分布特性,而靠近界面的两侧原子势能与板内原子势能具有明显差异.拉格朗日界面能密度和欧拉界面能密度均随双层薄板厚度的增加而增加,最终趋向于块体双材料结构的界面能密度.     

考虑压头尖端曲率的弹塑性材料硬度的解答形式

结合近来发表的对金属材料采用球形压头的微压痕实验结果及Johnson对应原理，讨论了在传统弹塑性理论下锥形压头在计及压头顶端曲率半径影响时硬度的解答形式．进而得出结论：压头尖端曲率半径不是引起尺度效应的根源，相反，它会使尺度效应减弱．