小尺度材料力學行為的尺度效應及其離散位錯動力學機制.pdf

1、近年來,各種各樣的微機電系統(tǒng)在微電子、通訊、醫(yī)學和先進制造等領域得到了廣泛地應用。由于尺度的縮小,這種微系統(tǒng)在極大地方便了人們生活的同時,也給學術界和工業(yè)界帶來了前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。在微系統(tǒng)中使用了各種小尺度材料及其結(jié)構,例如薄膜,細絲,微梁,微柱等等,它們的特征幾何尺寸降低到了和材料的微結(jié)構(晶粒)同一量級。晶粒產(chǎn)生的約束使得其力學行為呈現(xiàn)出強烈的尺度相關性。另一方面,這些微器件在服役中大多承受著循環(huán)交變載荷的作用。尺度效應和循環(huán)響

2、應同時存在并且相互耦合,使得其力學行為變得更為復雜。因此研究小尺度材料在單調(diào)和循環(huán)載荷下的力學行為,發(fā)展新的計算模擬方法,在學術界和工程界都具有重要意義。為此,針對典型小尺度薄膜和微柱材料,本文開展了如下幾個方面的研究:
　　1.本文使用二維多晶離散位錯動力學方法對多晶體薄膜的尺度效應進行了系統(tǒng)的研究,薄膜有三種類型:自由表面,鈍化表面和表面晶粒細化的薄膜。結(jié)果顯示:自由表面薄膜的流動應力隨著薄膜厚度的增加顯著增加;然而,后兩種薄

3、膜卻表現(xiàn)出了相反的尺度效應,即‘越薄越強’。通過對薄膜內(nèi)部位錯形態(tài)進行分析發(fā)現(xiàn),這種不同的尺度相關行為主要來源于表面約束和內(nèi)部約束之間的競爭。在自由表面薄膜中,表面晶粒相對內(nèi)部晶粒較容易變形,所以隨著試樣厚度增加,表面晶粒的體積分數(shù)的減小使得流動應力明顯增加。但是后兩種薄膜的表面晶粒剛剛相反,也就是較難變形,所以導致相反的尺度效應,也可以看出表面處理對小尺度材料的力學行為起不可忽視的作用。
　　2.材料循環(huán)松弛行為顯著影響其疲勞壽

4、命,因此本文研究了超細多晶體的循環(huán)松弛行為及其內(nèi)在的位錯機理。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),單晶體和晶界不可穿透的多晶體都沒有表現(xiàn)出明顯的循環(huán)松弛行為。但是在晶界可穿透的多晶體中,盡管沒有位錯胞和駐留滑移帶的存在,仍然觀察到了強烈的循環(huán)松弛行為,可以看出這主要是和晶界的穿透性有關。另外本文也探討了加載的循環(huán)應變波形對循環(huán)松弛行為的影響。循環(huán)應變的平均值對歸一化平均應力沒有影響,但是應變幅值的影響不可忽略,主要表現(xiàn)在更大的幅值導致歸一化平均應力松弛的更顯

5、著。
　　3.為了研究空心構件的力學行為,本文采用三維離散位錯動力學模擬,研究了空心微柱壓縮行為的尺度效應,揭示了盡管其屈服應力隨著外徑的變小和內(nèi)徑的變大顯著增加,但是它最終主要是由壁厚來決定的。這是因為其屈服行為是由單臂位錯源主導,而單臂位錯源的長度又是和壁厚直接相關。為了定量地描述屈服應力和壁厚的關系,本文結(jié)合位錯源長度的統(tǒng)計分布,擴展了單臂位錯源的屈服應力模型;此模型預測的屈服應力和三維離散位錯動力學計算結(jié)果能夠很好地吻合。