单斜氧化锆晶体压痕的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法模拟研究了单斜氧化锆晶体在不同晶面和不同加载速率时压入的变形行为,并采用配位数方法分析了不同压痕深度下基体原子组态和位错的变化情况,比较了不同晶面压痕的载荷-位移曲线和变形行为。结果表明,三个不同晶面压入时单斜氧化锆晶体呈现出3种不同的滑移面;(100)和(001)面的压痕形貌分别表现出pile-up和sink-in现象,且在这两个面的压入响应均出现载荷-位移曲线的间断波动。对(001)面不同加载速率压痕的研究结果表明在低速率加载时应力驰豫现象对基体应变硬化与载荷波动现象影响显著。     

纳米压痕中针尖效应的分析

采用有限元方法模拟了纳米压痕中不同曲率半径针尖的压头压入不同材料的加、卸载过程,并对计算结果与实验进行了对比以验证模拟的可靠性.理论分析给出了一个硬度关于压头曲率半径和压入深度的半经验公式.结果显示,相同材料的硬度计算值随着压头针尖曲率半径的增大而增大;另外对于同一针尖曲率半径而言,材料硬度值随着压痕深度的减小而增大,并且随着曲率半径的增大,尺寸效应越明显.理论分析与有限元计算结果吻合得较好.分析表明,由于尖端曲率半径的增大而导致过低估计压头与材料的接触面积是产生针尖尺寸效应的主要原因.进一步分析显示,理论推导中对于尖端曲率半径较大(R>60 nm)的压头,在压入深度较浅时(h≤60 nm)将其等效为理想压头相对粗糙,其硬度计算结果存在一定的高估.     

表层纳米化铝合金材料的微尺度力学行为

通过对表层纳米化铝合金材料显微组织的观测, 从实验(压缩实验和纳米压痕实验)和理论两方面研究了该材料的微尺度力学行为. 在实验方面, 测量了压缩应力应变曲线和硬度-压入深度曲线; 针对压缩和压痕两种实验特征, 采用微结构构元模型和应变梯度理论, 对该材料的压缩应力应变曲线和硬度曲线进行了预测和模拟; 进而确定出相关的材料参量及模型参量.     

集成电路钝化层薄膜的纳米力学性质研究

利用等离子体增强化学气相淀积工艺在P型单晶硅（111）衬底上制备了厚度为70、150、450nm的SiO2薄膜和100、170、220nm的Si3N4薄膜,并使用纳米压入仪对薄膜进行了纳米力学测试与分析．薄膜在不同载荷下的硬度和弹性模量计算采用Oliver-Pharr方法．在测量两种薄膜的硬度时没有发现压痕尺寸效应．SiO2薄膜的弹性模量与压入深度的依赖关系不明显,但与薄膜厚度的依赖关系较明显,薄膜厚度的增加将导致弹性模量显著减小,而Si3N4的弹性模量与薄膜厚度的依赖关系不明显,但与压入深度的依赖关系较明显,会随着压入深度的增加而逐渐增加到某一定值．     

残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为影响的数值分析

通过纳米压痕和电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术获得金属铍在晶粒尺度上的表面微力学行为(性能)信息,基于ABAQUS对纳米压入过程进行有限元模拟.因数值模拟结果与实测信息相符合,故可获得仿真过程的基本力学性能参数.基于得出的参数,针对残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为的影响进行数值分析,结果表明,残余应力、晶体尺寸与纳米压入塑性功、最大深度及残余深度之间存在明显的线性关系;以塑性功为对比依据,残余应力与晶粒尺寸的影响系数分别为0.852 5×10^-12 J/MPa,95.373×10^-12 J/μm.该研究对纳米压痕力学性能、估计晶粒内残余应力等研究有一定的参考价值.     

Au/Si扭转界面能各向异性研究

采用改进型嵌入原子法(modifiedembedded atom method,MEAM),计算了(001)Au/(111)Si、(011)Au/(111)Si、(111)Au/(111)Si、(001)Au/(001)Si、(011)Au/(001)Si、(111)Au/(001)Si六个扭转界面的界面能.结果表明,不论是对于(111)Si还是(001)Si基底,相同基底的界面均按照(111)Au/Si、(001)Au/Si、(011)Au/Si顺序依次增加;从界面能的最小化考虑,Au在(111)Si或(001)Si基底上的外延生长,Au(111)面为择优晶面,择优扭转角分别为θ=2.68°和θ=2.42°.     

基于分子动力学的纳米压痕形变过程模拟

采用分子动力学方法模拟了金刚石压头压入Fe基体的纳米压痕全过程．研究了加载和卸载时基体的原子组态、载荷一位移曲线以及位错的发射和变化．分析了基体的塑性形变机理．发现压人深度为0．69nm时出现位错．随压入深度的增加位错长大成环,基体塑性形变加剧．卸载过程中位错环不断减小,当压头恢复到起始位置后,基体中心残留有位错环,产生了永久塑性形变,位错环的存在是基体产生永久塑性形变的关键因素．     

不同晶体学平面对无取向电工钢电磁性能的贡献及其磁性各向异性

论证了不同晶体学平面对无取向电工钢电磁性能的贡献及其磁性各向异性.结果表明,不同晶面的这两项指标均与它们在极图上的位置有关,13个重要晶面对无取向电工钢磁感应强度的贡献依照以下次序降低: {100}-{310}-{411}-{521}-{210}-{110}、{431}、{321}和{211}-{221}-{332}-{433}-{111};而磁性各向异性则以{110}晶面最强,{111}晶面最弱,{111}晶面及其他晶面的磁性各向异性以{110}晶面的极点为中心呈放射递减状分布在反极图上.     

百纳米以下压入硬度规律的科学意义和挑战

仪器化压入是广泛应用的微/纳米力学测试方法,可靠的百纳米以下压入硬度尺寸效应的规律及其机理是其中尚未完全认识清楚的问题.本文总结了课题组近期在百纳米以下压入硬度的实验和模拟方面的进展:通过精确控制试样晶向状态和表面粗糙度,表征压头尖端曲率,在大规模分子模拟中引入压头曲率参数,实现了实验和模拟的衔接和相互校核,获得了可靠的百纳米以下的压入硬度规律,并揭示了两种相反的尺寸效应的机理,即常规的随压入深度减小而增大的硬度尺寸效应来源于压头下方材料中位错的形核和传播,而与压入初始阶段的相反尺寸效应来源于压头尖端曲率和材料弹性行为之间的耦合效应;针对压入过程中的位错演化,系统对比了分子动力学和分子静力学的结果可靠性和计算效率与弛豫时间和能量收敛精度参数的关系,提出了选取模拟方法和模拟参数的依据.     

黏弹性材料纳米压痕测试及接触形貌的影响

利用纳米硬度计测量聚氯乙烯(PVC)的力学性能,用有限元软件仿真了实测过程,比对实验和仿真数据,得出有限元法研究黏弹性材料纳米压痕实验的可行性结论.据此针对不同尖端曲率半径的圆锥形压头,模拟纳米压痕测量过程,结果显示:在黏弹性材料纳米压痕实验中硬度测量值随压入深度的增加而减小,随尖端曲率半径的增加而增大.最后引入压头表征尺寸概念,针对表征尺寸与表面粗糙度参数在同一数量级以及表征尺寸远小于表面粗糙度参数这两种情况分别进行仿真,结果表明:接触零点在峰顶或谷底时的硬度测量值会相应地偏小或偏大,并且硬度测量值的偏差随纹波间距和轮廓最大高度的增加而增大.     

压入尺寸效应对AZ31镁合金应变率敏感性的影响

通过纳米压入测试方法研究了镁合金在不同应变率下的力学表现,对于AZ31镁合金在不同工况下的应用有着重要意义.压入测试结果表明:随着应变率的增加,压入硬度值逐渐增加,而接触刚度与弹性模量几乎保持恒定;同时,随着压入深度的增加硬度表现出明显的尺寸依赖性.然后,基于Nix-Gao理论获得了AZ31镁合金的尺度无关硬度,并对其应变率敏感指数进行了深入探究.结果表明:压入尺寸效应对材料的率敏感指数影响显著,并获得了剔除尺度影响的率敏感指数.     

基底偏压对NbN-NbB_2纳米复合薄膜相变与力学性能的影响

利用多靶磁控共溅射技术,在不同基底偏压下制备了多组NbN-NbB_2纳米复合膜,用以探究偏压对复合膜显微结构和力学性能的影响.分别利用X线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪对复合膜的结构、断面形貌、表面粗糙度及其硬度和弹性模量进行测试.实验结果表明:偏压为-160 V时,NbN-NbB_2复合薄膜中出现了立方相δ-NbN与六方相δ′-NbN的混合相,并以δ-NbN(111)晶面取向为主相;此时,复合膜结晶性最强,且具有非晶NbB_2穿插在结晶态NbN中和结晶态NbN紧密包覆非晶NbB_2的相互嵌入式复合结构,这种结构的形成使复合膜的硬度最高达到26.542GPa,弹性模量为291.154GPa;增加偏压至-200V时,复合膜中δ-NbN(111)逐渐向δ′-NbN(110)取向发生转变.退火处理后复合膜硬度值无明显变化,且趋于稳定,说明复合膜具有良好的热稳定性.     

纳米硬度测量中接触面积及压头曲率半径效应的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)模拟了单晶铜的纳米压痕. 提出“接触原子”方法来计算接触面积, 并和实验上采用的方法进行比较, 发现此方法无论是对“挤出”还是“沉陷”情况都能更准确地计算接触面积. 同时也模拟了压头曲率半径对纳米压痕的影响, 发现在同一压痕深度下材料纳米硬度的测量值随着压头半径的增大而变大.     

自组织纳米复合薄膜BiFeO3-CoFe2O4的微结构与相成分

采用先进电子显微术在原子尺度研究了(001)单晶SrTiO3衬底上生长的纳米复合薄膜0.65BiFeO3-0.35CoFe2O4的组织形态以及界面结构.BiFeO3 (BFO)和CoFe2O4(CFO)两相在外延生长过程中自发相分离,形成自组织的复合纳米结构.磁性尖晶石CFO呈方块状均匀分布于铁电钙钛矿BFO基体中,并沿[001]方向外延生长,形成垂直的柱状纳米结构.两相具有简单的立方-立方取向关系,即[001]BFO//[001]CFO和(100)BFo//(100)cFo,且界面为{110}晶面.薄膜表面起伏不平,形成CFO{111}小刻面而BFO则为平整的(001)表面.能谱分析结果表明各相成分均匀分布并无明显的元素互扩散发生.     

TiC在Ti2CS上形核生长的电镜观察及其取向关系的测定

为探讨与控制薄板坯连铸连轧工艺条件下碳化钛在钢中的析出行为,应用透射电子显微术(TEM)研究了纳米尺度TiC和Ti2CS析出相的结构及取向关系.结果表明,实验钢中Ti2CS的析出温度较TiC的高,先析出的Ti2CS可作为TiC的非自发形核地点.实验观察到细小TiC粒子在Ti2CS上生长的现象.电子衍射和X射线能谱(EDS)分析表明:TiC和Ti2CS之间的取向关系为{001}Ti2CS∥{111}TiC,〈100〉Ti2CS∥〈011-〉TiC.在TEM下还观察到以孪晶形式存在的TiC,孪晶面为(1-11-)面.总之,在钢中先行析出的Ti2CS和TiC粒子都可能成为新生成TiC的非自发形核地点,孪生和外延生长是TiC沉淀的两种重要机制.     

新型金纳米薄片的制备与生长研究

在表面活性剂PVP的辅助下,利用高温溶剂热法,合成了星形、盾形和多边形等新型Au纳米薄片.对其结构分析表明,Au纳米薄片均为单晶,边长为数微米,厚度约40 nm.这些新型的Au纳米片的形成可以理解为(111)面沿着〈211〉和其他高指数面的生长.不同晶面表面能的理论模拟可以很好解释(111)晶面沿高指数方向生长的可能性.利用堆垛层错引导晶体生长可以很好地解释选区电子衍射中的分数衍射及晶面间距.     

天然彩棉的结晶度和取向度研究

用X射线衍射方法研究了天然彩棉、白棉和染色棉的结晶度和取向度,结果表明:天然彩棉的结晶度和取向度明显小于染色棉,但与白棉的差异并不明显,且天然彩棉和白棉的结晶度和取向度因产地不同而有所差异,无规律可寻.在研究取向状态时,发现天然绿色棉呈现两个特征:一是(040)晶面的衍射峰显著低于(200)晶面;二是(002)晶面衍射的强度分布与天然棕色棉、白棉和染色棉明显不同.这两个特征可用于鉴别天然绿色棉的真伪.     

Ti6Al4V合金的纳米硬度载荷依赖性实验研究

采用原位纳米测试系统对氮离子注入前后的Ti6Al4V合金试样进行纳米压痕实验,研究材料纳米硬度的载荷相关性和尺寸效应,及其在纳米尺度下材料的塑性变形过程。结果表明:纳米硬度具有明显的载荷相关性,在临界载荷Fc以下,随着载荷的增加纳米硬度呈线性增加;在临界载荷Fc以上,随着载荷的增加纳米硬度呈非线性减小,并稳定在一个值上。此外,纳米硬度随着压入深度的增加而减小,并且Ti6Al4V合金的纳米硬度极限载荷FH和稳定纳米硬度Hs分别为550μN和5.6GPa,而经过氮离子注入后的Ti6Al4V合金的纳米硬度极限载荷FH和稳定纳米硬度Hs分别提高到700μN和6.7 GPa。     

多晶纯铝晶内局部变形组织分析

用显微硬度方法在晶粒尺度范围内对多晶纯铝进行了晶内塑性变形,研究了退火前后压痕周边变形组织形貌.实验发现,仅在退火后的压痕周边出现了不同形态的滑移带,在滑移带的区域发现有大量位错露头并在某些局部范围内呈有序排列状态的现象,同时观察到滑移带直接穿越晶内偏聚区界的现象.文中分析了没有在晶内压痕周边区域内发现再结晶现象的原因,讨论了退火温度及时间、压下量及晶粒取向等因素对滑移带形成的影响.研究表明,与整体变形方式不同,晶内变形方法可以更方便地研究多晶材料塑性变形及再结晶时的一些组织特点.     

多晶纯铝晶内局部变形组织分析

用显微硬度方法在晶粒尺度范围内对多晶纯铝进行了晶内塑性变形,研究了退火前后压痕周边变形组织形貌。实验发现,仅在退火后的压痕周边出现了不同形态的滑移带,在滑移带的区域发现有大量位错露头并在某些局部范围内呈有序排列状态的现象,同时观察到滑移带直接穿越晶内偏聚区界的现象。文中分析了没有在晶内压痕周边区域内发现再结晶现象的原因,讨论了退火温度及时间、压下量及晶粒取向等因素对滑移带形成的影响。研究表明,与整体变形方式不同,晶内变形方法可以更方便地研究多晶材料塑性变形及再结晶时的一些组织特点。