微-納米表層硬度檢測過程仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、21世紀(jì)是納米科技飛速發(fā)展的世紀(jì)，納米科學(xué)與技術(shù)以人類改造原子、分子尺度的微觀世界為標(biāo)志，將導(dǎo)致材料、信息、生物、醫(yī)療、機(jī)械等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的飛躍。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、表面工程、納米級加工等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，微小零件表層質(zhì)量檢測與評價技術(shù)已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。其中，硬度作為評估微/納米表層材料性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)，近年來越來越受到人們的重視，然而，這個領(lǐng)域的研究目前還面臨著眾多挑戰(zhàn)，尚有許多問題亟待解決，例如，如何進(jìn)一步完善納米力學(xué)的相關(guān)理論

2、問題、如何對實(shí)驗(yàn)中的一些現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋的問題、如何進(jìn)一步研究與開發(fā)新的測量方法和手段的問題等等。因此，對材料表層微/納米級硬度測量技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。 納米級硬度的測量與計(jì)算是近年來人們關(guān)注的一個重要問題。本文總結(jié)了當(dāng)前納米硬度測量的主要方法，分析了它們各自的優(yōu)勢和存在的不足，并評述了未來發(fā)展方向。分子動力學(xué)仿真是進(jìn)行納米力學(xué)研究的重要方法，本文通過對勢能函數(shù)和求解算法的分析比較，根據(jù)單晶鋁材料以及納米

3、壓痕仿真的實(shí)際特點(diǎn)建立了三維立體仿真模型，選擇Morse勢函數(shù)描述原子間相互作用，運(yùn)用Verlet算法求解運(yùn)動方程，對單晶鋁納米壓痕過程中的變形規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究，從原子角度對納米級尺度的壓痕測試與宏觀壓痕測試方法進(jìn)行了比較分析。 在深入分析仿真過程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了新的優(yōu)化方法，結(jié)合并行計(jì)算技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)十納米深度壓痕的分子動力學(xué)仿真。結(jié)果表明：分子動力學(xué)仿真是研究納米尺度壓痕的有效方法，并且隨著仿真規(guī)模的擴(kuò)大，仿

4、真精度不斷提高。研究了納米硬度檢測過程中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，分析了端部圓弧半徑大小對三棱錐壓頭納米壓痕檢測過程的影響，指出實(shí)際測量中壓頭并非完全理想形狀是納米硬度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的重要原因。 對納米硬度測試過程中檢測參數(shù)對硬度結(jié)果的影響進(jìn)行了研究，針對不同端部半徑壓頭的納米硬度檢測仿真結(jié)果表明，壓頭的端部半徑越大，硬度檢測結(jié)果的誤差也就越大，我們從微觀角度對這一現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。壓頭壓入速度和納米級硬度的不同計(jì)算方法也對硬度測量值產(chǎn)生