准连续方法模拟研究纳米压痕过程中纳米空穴对铝薄膜初始塑性的影响

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材料中空穴的存在导致其性能的改变和内部应力场的不均匀分布,因此对空穴在材料力学性能方面的影响及其机理的理解是非常重要的。同时,它对纳米尺度的多孔材料的设计也有重要的指导性意义。纳米尺寸的缺陷(如空穴)周围的应力集中常常导致固体材料的形变和失效,因此引起了研究者们对其理论分析的极大兴趣。但是材料表面附近的空穴对其表面力学性能的影响仍缺乏研究,同时表面取向也会对材料的力学性能产生很大的影响。本工作采用多尺度准连续方法(Quasicontinuum,QC),研究含有纳米空穴的Al薄膜在纳米压痕过程,空穴对其初始塑性的影响,并从微观上揭示其机理。我们首先薄膜表面取向的影响,我们发现在(110)薄膜表面下,当纳米空穴(R=20?,R=20?)存在时,压痕模量降低8.3%,屈服应力下降了约29.6%。对应于初始塑性,两个1/2<110>刃位错在压头边缘下方形核,柏氏矢量垂直于表面;当有空穴存在时可以辅助位错在更小的应力下形成,同时位错形核还可能出现在空穴的边缘。在(111)薄膜表面下,当纳米空穴(R=20?,H=20?)存在时,压痕模量降低9.9%,屈服应力下降了约21.1%。对应于初始塑性,发现形变孪晶在压头边缘产生,当有空穴存在时,形变孪晶的厚度变薄,但两者对应的应力下降均很小。在(001)薄膜表面下,当纳米空穴存在时,压痕模量降低12.6%,屈服应力下降了约43.0%。对比(001)、(111)、(110)对薄膜表面下的压头实验,说明(001)的软化效果最明显。进一步又讨论了探讨在Al薄膜(001)表面下空穴几何尺寸对其初始塑性的影响。从模拟的结果可知,在Al(001)表面下,在薄膜中空穴的存在会使材料发生软化,尤其当空穴接近表面时,并且空穴对材料屈服起到了促进作用。薄膜的压痕模量和屈服应力随空穴深度(H)的增加逐渐升高。深度影响存在临界深度H0,当H>H0时,薄膜的压痕模量和屈服应力趋于恒定。临界深度对应着材料内部位错形核位置的转变,即H=H0时第一次观察到位错在压头边缘的基体表面处形核,然后向薄膜内部滑移,并在与空穴接触前形成一个1/3<110>压杆位错。当压头尺寸(S)大于空穴直径时,薄膜的压痕模量随空穴半径(R)的增加而降低,而屈服应力对R不敏感。对于椭圆形空穴,当形状比(AR)>1时,AR对薄膜的压痕模量和屈服应力影响不明显;而当AR<1时,随着AR的减小,压痕模量会迅速降低,而屈服应力对AR不敏感。当空穴半径相同时,发现临界深度H0和压头尺寸S近似呈线性关系。
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