梯度多晶铜纳米压痕的分子动力学仿真研究

发布时间：2022-02-19 10:57

　　随着高精度、高可靠性和小体积的微纳设备及系统的迅速发展,纳米加工等超精密制造技术的重要性日益凸显。梯度多晶材料兼具高强度和优良塑性/韧性,成为超精密制造领域的重要加工材料。然而,对于梯度多晶力学性能及变形机理理解的缺乏,严重阻碍了该种材料的实际应用。本文采用分子动力学仿真方法,从微观角度研究梯度多晶材料纳米压痕过程。首先,基于VORONOI方法,构建梯度多晶铜和圆锥形压头三维分子模型,并将模型的原子分为普通晶粒、晶界和三叉晶界等三类以便后续分析。在仿真条件设置中,采用周期性边界以模拟无穷大尺寸,应用嵌入原子势刻画铜原子之间的相互作用。其次,基于赫兹理论、晶体塑性变形理论和位错动力学等研究了梯度多晶铜纳米压痕过程的微观变化。分析压头载荷随位移变化过程,将整个压痕过程分为弹性变形和塑性变形两部分,拟合弹性变形阶段载荷;提取压痕表面原子,绘制压痕形貌轮廓,计算压痕尺寸;分析各个晶粒层在压痕过程中位错等缺陷的生成、运动与分布以及塑性变形区域位错密度变化;研究各个晶粒与晶界的运动变化;分析发现,由于特殊的梯度晶界结构,原子势能与原子应力也呈梯度分布。最后,改进压痕接触区域提取算法与塑形区域提取算... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
        1.1.1 课题研究背景
        1.1.2 课题研究的目的和意义
    1.2 梯度纳米晶体材料及其仿真理论研究现状
        1.2.1 梯度纳米晶体材料的分类与制备
        1.2.2 梯度纳米晶体材料力学性能
        1.2.3 梯度纳米晶体的仿真研究
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 分子动力学建模与仿真方法
    2.1 引言
    2.2 分子动力学的理论基础
        2.2.1 周期边界条件
        2.2.2 势函数的选择
        2.2.3 系统温度压强的控制
        2.2.4 运动方程的求解
    2.3 梯度多晶铜的建模方法
        2.3.1 VORONOI多边形方法原理
        2.3.2 梯度多晶铜试样与压头建模
    2.4 梯度多晶铜纳米压痕的仿真方法
        2.4.1 纳米压痕的弛豫平衡过程
        2.4.2 纳米压痕的仿真条件设置
        2.4.3 分子动力学仿真和分析平台
    2.5 本章小结
第3章 梯度多晶铜纳米压痕过程的研究
    3.1 引言
    3.2 纳米压痕的弹性与塑性变形过程
        3.2.1 纳米压痕的压头载荷-位移曲线
        3.2.2 纳米压痕的表面形貌
    3.3 纳米压痕过程中的缺陷分析
        3.3.1 缺陷分析方法概述
        3.3.2 压痕过程中位错的演变
        3.3.3 压痕过程中堆垛层错的演变
    3.4 纳米压痕过程中的晶粒与晶界变化研究
        3.4.1 压痕过程中的晶粒运动
        3.4.2 压痕过程中晶界的研究
    3.5 纳米压痕过程中的原子势能及原子应力研究
        3.5.1 压痕过程中的原子势能变化与分布
        3.5.2 压痕过程中的原子应力变化与分布
    3.6 本章小结
第4章 梯度多晶铜硬度与弹性模量的计算
    4.1 引言
    4.2 纳米压痕技术理论基础
    4.3 纳米压痕中的尺寸效应及N-G模型
        4.3.1 纳米压痕尺寸效应及N-G模型简介
        4.3.2 单晶铜纳米压痕硬度的计算分析
    4.4 晶界对压痕硬度的影响
        4.4.1 水平晶界的影响
        4.4.2 纵向晶界的影响
    4.5 梯度多晶铜压痕硬度的计算分析
        4.5.1 硬度计算方法与接触面积的计算
        4.5.2 塑性变形区域的确定方法
        4.5.3 仿真结果与理论验证
    4.6 梯度多晶铜弹性模量的计算分析
    4.7 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]压痕位置对多晶铜纳米压痕变形机理的影响[J]. 赵鹏越,郭永博,白清顺,张飞虎.  哈尔滨工业大学学报. 2018(07)
[2]梯度结构金属材料研究进展[J]. 李毅.  中国材料进展. 2016(09)
[3]梯度纳米结构材料[J]. 卢柯.  金属学报. 2015(01)

博士论文
[1]金属材料塑性变形行为的理论研究：失效、稳态与稳定性[D]. 王鹏.浙江大学 2019
[2]单晶铜纳米压痕过程中位错演化的分子动力学研究[D]. 刘启涛.华中科技大学 2018
[3]晶体铜纳米切削加工亚表层晶体结构及缺陷演变机理研究[D]. 王全龙.哈尔滨工业大学 2016
[4]双晶材料纳米压痕初始塑性变形行为的跨尺度模拟与实验研究[D]. 王露萌.哈尔滨工业大学 2013
[5]基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究[D]. 张俊杰.哈尔滨工业大学 2011

硕士论文
[1]基于纳米压痕的有序微纳结构制备研究[D]. 蔡建雄.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于分子动力学的铜铅合金拉伸变形特性的研究[D]. 韩浏淼.哈尔滨工业大学 2018
[3]高分子材料纳米压痕表征的分子模拟与实验研究[D]. 彭超.哈尔滨工业大学 2016



本文编号：3632772