论文部分内容阅读
纳米晶体材料因为具备一些宏观材料所不具备的特殊性能如小尺寸效应、表面/界面效应和量子隧道效应等,使得其在光学、热学以及电磁学等方面存在巨大的应用前景。Cu/Ni纳米晶复合体系由于其稳定的结构和优异的性能而得到了学者们的关注,因此本文以由单晶Cu和Ni构成的两类复合材料(含Ni夹杂的Cu基体复合板和Cu/Ni双层薄膜结构)的微观机械性能为研究对象。基于分子动力学模拟的方法,本文对这两类复合材料进行了建模,对含Ni夹杂的Cu基体复合板施加拉伸作用,研究了复合板所表现出的力学性能;然后对Cu/Ni双层纳米薄膜则分别采用纳米切削和纳米压痕手段,研究了材料的表面摩擦性能及位错与界面间的相互作用。本文的主要研究内容及创新点如下:(1)在纳米单晶Cu基体板中引入单晶Ni作为夹杂,构成Cu/Ni复合板结构,然后对复合板进行拉伸加载,详细分析了夹杂Ni的引入对纳米晶基体Cu的性能的影响,并分析夹杂与位错运动的相互作用,从微观角度解释Ni在拉伸变形阶段对材料所起的强化作用,研究结果表明Ni夹杂由于与周围Cu基体间的晶格失配会有利于初始拉伸阶段位错的产生,造成材料屈服强度的下降;然而在屈服阶段夹杂Ni则会对运动的位错产生阻碍作用,起到材料强化的效果,导致这一阶段的拉伸应力增加,塑性变形减弱。进一步地改变Cu/Ni复合板中夹杂Ni的尺寸和形状,探究屈服强度与尺寸和形状间的变化规律,研究结果表明影响屈服强度的主要因素是:由于夹杂与基体间的晶格失配而容易在边界处产生的位错量以及位错运动遇到夹杂时会受到界面和夹杂原子的阻碍作用。最后,在含不同形状夹杂的复合材料中引入边界裂纹,分析了裂纹扩散方向与夹杂形状间的关系。(2)在对于Cu/Ni双层薄膜的研究中,依Cu作为表层和作为基底的不同情形分别建立Cu-Ni和Ni-Cu模型,然后对复合薄膜分别实施纳米切削和纳米压痕,并将其在该过程中的力学行为与单晶Cu和单晶Ni经历相同加工过程时的相应结果进行对比。研究结果表明,在纳米切削划刻过程中,相同的摩擦深度和摩擦速度下Cu/Ni双层膜结构具有比它们的单晶体更大的表面摩擦力及正压力;当摩擦速度为100 m/s-300 m/s时,薄膜的摩擦力和正压力均随着速度的增加而增大;纳米薄膜被切削时的摩擦系数小于宏观尺度的材料,根据纳米切屑的形成过程和与刀具的相互作用对这一现象进行了解释。在对Cu/Ni双层膜结构进行纳米压痕时,将这一过程分为三个阶段:加载、停留和卸载。在加载阶段材料依次经历了弹性变形和塑性变形,弹性变形时Cu/Ni双层膜受到的压痕力与该两种单晶体材料各自的压痕力几乎相同,而在塑性变形时复合薄膜受到的压痕力均大于该两种单晶体材料各自的压痕力且表现出更高的硬度。压头刀具在离开材料进行卸载时,部分原子粘附在刀具上并产生了引力作用,材料表面发生了恢复性的变形和位错运动。同样地,在纳米压痕过程中,Cu与Ni间的界面也表现出了对位错运动的阻碍作用。