准连续方法研究表面微凸体的几何形貌对FCC金属的力学性能的影响

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绝大多数金属表面都具有一定的表面粗糙度,在显微组织下表现为大量微凸体和其间的凹坑,这些微凸体的力学行为对深入理解材料摩擦磨损和接触变形方式有很大的帮助。传统研究多采用统计模型来评估表面形貌对力学性能的影响,而缺乏单个微凸体对综合力学性能影响的研究。因此本工作将采用多尺度准连续方法(Quasicontinuum)探索,当纳米压痕作用在多种面心立方FCC金属(铝、铜、金、银、镍、铂)薄膜(001)表面时,纳米微凸体的尺寸、几何形貌、分布对薄膜初始塑性的影响规律。研究结果表明:相较于平坦表面,微凸体的存在显著地降低了薄膜的初始压痕屈服应力。在纳米尺度限制全位错形成的条件下,不同FCC金属微凸体对应的屈服变形机制,可以分为两类:单个半位错(铜、银、镍)和孪晶(铝、铂、金)。进一步研究发现,当材料的γhomo barrier/γheter barrier<1.5且γUSF/γSF>2.9,倾向于形成单个半位错形貌;反之则更倾向于形成孪晶结构,其中γUSF是不稳定堆垛层错能,γSF是稳定堆垛层错能,γUT是孪晶形成能,γhomo barrier为均质形核能垒(=γUSF),γheter barrier为异质形核能垒(=γUT-γSF)。采用铝和铜为代表的两种微凸体,做进一步研究发现:采用矩形微凸体时,不同横纵比的微凸体对铝和铜薄膜初始压痕屈服应力的影响不大;但对进一步的应力响应却明显不同,特别是在横纵比大于(?)时,对于铜薄膜材料随位移载荷的增加,应力有明显提高,伴随着的应力下降对应在不同位置形成的半位错;而铝薄膜的应力响应变化不大,应力下降也对应新的半位错的出现,但它与已有的位错并排排列,逐渐形成形变孪晶。对于梯形微凸体,随着底角逐渐增大,初始压痕屈服应力均呈现逐渐降低的趋势,尤其是在越过54.7°后,下降变得更加迅速。这可能由于梯形侧表面的面指数逐渐由(001)转变为(110),在经过54.7°时对应的侧面为(111)面,不同的表面能导致位错形核所需的应力水平不同,同时基体与微凸体之间的相互作用也随底角的变化发生了改变,两者的共同作用导致了初始压痕屈服应力的变化。模拟还发现各向异性强的铜,初始压痕屈服应力随梯形底角的增加受到的影响更加显著。对于包含多个微凸体的表面,研究了不同微凸体高度差(dh),宽度(D),间距(I)对初始塑性的影响。相较于等高微凸体,dh的存在会显著降低材料的压痕模量并导致初始压痕屈服点后延和下降;随dh的增大,随后的完全压痕屈服应力会出现大幅上升。当D增加时,压痕模量增加,初始压痕屈服和完全压痕屈服应力增大。当I增加时,压痕模量和初始压痕屈服应力变化不明显,但随后的完全压痕屈服应力变化显著。采用多项式拟合的方式,综合给出了(dh,D)共同作用对表面的完全压痕屈服应力影响的表达式,这些数据可以帮助用于评估真实表面综合力学性能。本模拟工作也可为微纳米电力设备(MEMS)和纳米功能性器件的设计提供相关的参考。
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