雙晶材料納米壓痕初始塑性變形行為的跨尺度模擬與實驗研究.pdf

1、近幾年來,納米材料的機(jī)械性能特點(diǎn)以及微納米尺度下材料的變形機(jī)理已經(jīng)成為了研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而,采用傳統(tǒng)的微納塑性成形實驗手段以及依賴于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立起來的宏觀變形理論、模擬都無法對微納米尺度下材料塑性變形行為進(jìn)行系統(tǒng)研究。納米壓痕作為研究微納米尺度下材料機(jī)械性能的理想手段,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于材料學(xué)的各個領(lǐng)域。材料的納米壓痕變形行為可以用來分析材料的初始塑性變形和初始位錯發(fā)射機(jī)制。然而,目前對于納米壓痕變形行為的系統(tǒng)研究還十分缺乏

2、,且研究主要集中在無缺陷的單晶材料上。與單晶材料相比,多晶金屬材料塑性變形行為較為復(fù)雜,晶界被認(rèn)為是塑性變形初始階段位錯形成的主導(dǎo)及來源。因此,多晶金屬材料中晶界和位錯的關(guān)系成為了材料學(xué)、力學(xué)和物理學(xué)的重點(diǎn)研究對象。
　　本文采用較為新穎的跨尺度模擬方法—準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)(quasicontinuum,QC)方法,結(jié)合納米壓痕實驗手段對微納米尺度下材料初始塑性變形行為進(jìn)行研究。分析面心立方,體心立方兩種晶體結(jié)構(gòu)材料的納米壓痕變形行為,探

3、索初始塑性變形發(fā)生時的位錯發(fā)射機(jī)制及晶界、壓入位置、壓頭尺寸和載荷等對初始塑性變形的影響。
　　對離子刻蝕后的雙晶銅進(jìn)行納米壓痕實驗。在不同載荷下,變化壓頭距晶界的距離進(jìn)行壓痕,觀察變形前后壓痕點(diǎn)附近的表面形貌。通過載荷-位移曲線計算壓痕點(diǎn)的接觸深度以及接觸面積,從而分析晶界對雙晶銅納米壓痕變形行為的影響。實驗結(jié)果表明:晶界及晶粒內(nèi)部的納米壓痕載荷-位移曲線的第一次不連續(xù)代表材料初始塑性變形的開始。雙晶銅晶界處的納米硬度高于晶粒內(nèi)

4、部,在壓頭距雙晶銅晶界中心0.1μm以內(nèi),納米硬度劇烈下降。隨著壓頭距晶界距離的增加,隨后納米硬度輕微上升,最終緩慢下降。實驗發(fā)現(xiàn)雙晶銅晶界處的納米硬度受到施加載荷大小的影響,隨著載荷的增加,接觸深度持續(xù)加深,納米硬度提高。當(dāng)載荷超過一臨界值時,載荷越大,納米硬度反而下降。
　　通過對準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法的關(guān)鍵技術(shù)及重要參數(shù)進(jìn)行研究與設(shè)定,準(zhǔn)確構(gòu)造了面心及體心立方晶體的典型晶界模型,并將這些模型以較高的計算精度應(yīng)用在雙晶材料納米壓痕變形的

5、數(shù)值模擬中。對于面心立方晶體結(jié)構(gòu)的材料,本文模擬了共格孿晶鋁、∑5(310)[001]θ=53.1°大角度對稱傾轉(zhuǎn)晶界結(jié)構(gòu)的雙晶銅及帶孔洞缺陷單晶鋁的納米壓痕變形過程,得到以下結(jié)論:面心立方晶體納米壓痕變形過程中初始塑性的產(chǎn)生都是由初始位錯發(fā)射所形成的。孿晶鋁的初始位錯由兩個1/6112不全位錯組成,孿晶界及兩側(cè)晶粒內(nèi)部的初始塑性臨界載荷隨壓頭位置的變化而規(guī)律波動。最大初始塑性臨界載荷出現(xiàn)在晶界附近區(qū),當(dāng)壓頭距晶界較遠(yuǎn)時,初始初始塑性臨

6、界載荷保持穩(wěn)定。晶界為∑5(310)θ=53.1°雙晶銅初始塑性變形的產(chǎn)生是由沿[110]方向的初始位錯發(fā)射引起。最大初始塑性臨界載荷出現(xiàn)在對稱傾轉(zhuǎn)晶界的晶界中心處。雙晶銅晶界處的臨界載荷和臨界壓入深度隨壓頭尺寸的增加存在上升的趨勢,但是納米硬度卻是下降的。對比模擬結(jié)果與實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)壓頭位置對納米硬度影響的波動規(guī)律吻合?？锥慈毕輰γ嫘膯尉тX納米壓痕初始塑性變形具有影響:當(dāng)孔洞距離壓頭較近時,孔洞導(dǎo)致初始塑性臨界載荷的降低;當(dāng)孔洞距離模

7、型上表面較遠(yuǎn)時,對初始塑性臨界載荷幾乎沒有影響。孔洞尺寸越大,單晶鋁納米壓痕的初始塑性臨界載荷越低。
　　研究了體心雙晶鉬的納米壓痕初始塑性變形行為。運(yùn)用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法構(gòu)造了雙晶鉬的∑5(310)[001]θ=36.9°大角度對稱傾轉(zhuǎn)晶界結(jié)構(gòu)。對雙晶鉬進(jìn)行納米壓痕實驗與跨尺度模擬的對比研究,將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行定性對比,兩者結(jié)果一致。得到雙晶鉬的初始塑性產(chǎn)生是由沿[110]方向的初始位錯發(fā)射所引起。雙晶鉬晶界處的初始塑性臨界載荷