準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法在多尺度模擬中的應(yīng)用.pdf

1、隨著微電子技術(shù)和微系統(tǒng)的發(fā)展,材料的微觀力學(xué)性能越來越引起人們的關(guān)注。在載荷的作用下,微小構(gòu)件常常會表現(xiàn)出與宏觀條件下所不同的特性,材料變形的微觀機理研究也越來越受到人們的重視。傳統(tǒng)的建立在連續(xù)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上的分析方法不再適用于微觀尺度下材料變形的研究,而分子動力學(xué)等微觀尺度的方法由于自由度過多導(dǎo)致計算量太大,無法在普通的計算機上實現(xiàn)較大模型的模擬。于是結(jié)合連續(xù)介質(zhì)尺度和原子尺度的多尺度方法開始在計算機模擬中廣泛應(yīng)用。
　　 準(zhǔn)

2、連續(xù)介質(zhì)方法模擬一個系統(tǒng)的時候,耦合了連續(xù)介質(zhì)尺度和原子尺度。在變形梯度變化比較小的區(qū)域采用有限元方法以“代表原子”進行粗化描述;而將缺陷密度較高、變形梯度變化較劇烈的區(qū)域用分子動力學(xué)來描述。本文采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法分析了材料在微觀變形時呈現(xiàn)的尺寸效應(yīng),晶界效應(yīng)和晶向效應(yīng)。主要工作如下:
　　 首先,采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法模擬了金屬薄膜Al,Ag,Ni和Pd在四種壓頭寬度下的納米壓痕過程,得到了載荷一位移曲線和應(yīng)變能曲線,計算了四種材

3、料的納米硬度;模擬得到的臨界載荷與采用能量理論估算的臨界載荷基本一致;討論了四種壓頭寬度下,硬度值和壓頭寬度之間的關(guān)系;對比了模擬得到的四種金屬的擴展位錯寬度與理論推導(dǎo)的擴展位錯寬度值,兩者基本符合;最后,從微觀角度討論材料的載荷一位移曲線突降和材料中位錯成核之間的關(guān)系,并畫出位錯成核圖,進一步揭示材料變形機理。
　　 其次,采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法對薄膜采用三種不同的晶體晶向(分別為x[111],y[-110],z[11-2];x[

4、-1-12],y[111],z[-110];x[1-10],y[001],z[-1-10])模擬不同晶向下Al薄膜的納米壓痕響應(yīng),以探討納米壓痕模擬的晶向效應(yīng)。得到了不同晶向下的載荷位移曲線和微觀原子圖;觀察到了孿生變形等一些獨特的微觀構(gòu)造;最后采用位錯理論解釋了不同晶向下納米壓痕響應(yīng)的區(qū)別,分析了不同的微觀變形機理。
　　 然后,采用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法模擬了孿晶薄膜Al的納米壓痕過程,以探討納米壓痕模擬的晶界效應(yīng)。對比分析了存在與