单晶铜纳米压痕过程中位错演化的分子动力学研究

发布时间：2020-06-16 09:46

【摘要】：随着精密/超精密加工技术的迅速发展,金属材料在精密/超精密加工过程中呈现出的力学行为的离散性引起了人们的广泛关注。分子动力学作为沟通理论研究和实验观测的桥梁,成为研究微纳尺度材料力学行为离散性的重要工具。本文以分子动力学为理论基础,建立了面心立方金属铜的分子动力学纳米压痕模型,分析了其变形特征及其内部的位错行为,主要研究成果如下:(1)通过大规模分子动力学模拟单晶铜(100)面上的纳米压痕实验,阐明了纳米压痕过程中载荷 下压深度关系中的载荷下降和硬度 下压深度关系中的硬度下降的原因,得到了压痕过程中压头和试样之间的接触面积投影,随后获得了载荷与接触面积投影的比值,并且计算和分析了压头周围试样内部位错的时空分布。压头周围的试样塑性变形区域内的位错密度约为1017 m-2。通过计算纳米压痕过程中位错线的长度,发现模拟过程中Shockley不全位错长度占全部位错总长度的85%以上。纳米压痕过程中硬度下降先于载荷下降出现,在一个硬度升高和下降的过程中位错形核是硬度上升的主要因素,随后Shockley不全位错的剧烈增殖扩张为硬度下降的主要因素。上述位错行为的不断重复导致了载荷 下压深度关系曲线和硬度 下压深度关系曲线呈现锯齿特征。(2)通过大规模分子动力学模拟孪晶层层厚为17.5 nm的孪晶铜(111)面上的纳米压痕实验,解释了面心立方金属中棱柱位错环的形成机制。借助双Thompson四面体记号,探讨了棱柱位错环的形成和脱离被压表面过程中的位错反应。棱柱位错环形成过程中并未出现位错交滑移现象,其由四个层错相互反应生成,每个棱柱面上分别有一根领先位错和一根拖曳位错,棱柱边上的位错均为压杆位错,其中两个为Lomer-Cottrell位错,另两个为Hirth位错。(3)在结论(2)的基础上分析了棱柱位错环与共格孪晶界面反应过程中共格孪晶界面的迁移机制和孪生位错的增殖机制,并结合已有文献中透射电子显微镜的观测验证了此反应机制。棱柱位错环与共格孪晶界面之间的反应生成了一根在共格孪晶界面上滑移的Shockley不全位错,此Shockley不全位错造成了共格孪晶界面的迁移,在共格孪晶界面处形成了平行四边形的台阶,台阶周围环绕着Frank位错环,二者之间重复不断的反应造成了孪生位错的增殖。(4)通过分析孪晶层层厚为5 nm的纳米孪晶铜(111)面上纳米压痕实验中的层错四面体形成过程,提出了一个全新的无需空穴或Frank位错环参与、由Shockley不全位错反应参与的低层错能金属中层错四面体的形成机制,表明Frank位错环的生成在层错四面体形成过程中并不是必要的。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O614.121;TB383.1

【参考文献】

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本文编号：2715885