金属纳米材料的形变断裂机理研究

论文摘要

电子电镀在国民经济中占有重要地位。本论文从电子电镀工艺存在的具体问题出发,提取内在的科学问题,就缺陷和晶界对材料性质的影响,从计算机模拟着手,建立了纳米线和纳米晶简化模型,系统地探索了材料在不同晶向、缺陷分布和不同温度以及机械冲击速度下的形变断裂失效机理,并详细讨论了材料的形变过程以及如何通过缺陷等条件来控制体系形变和断裂的方法。1.晶体取向对不同应变速率下纳米线形变和断裂失效的影响本节选取了具有代表性的[100]、[110]和[111]晶向的单晶铜纳米线为研究对象,考察了体系在应变速率为0.01%至7.69%ps-1下的平衡态、过渡态和非平衡态机械拉伸形变和断裂失效行为。通过性质的统计分析,得出了体系的晶体取向和拉伸应变速率对纳米线在对称拉伸过程中的宏观断裂位置和微观原子运动具有一定的影响。当应变速率小于0.26%ps1,宏观断裂位置分布表明了纳米线形变过程中的微观原子运动的较强各向异性。然而,当应变速率大于3.54%ps-1时,纳米线在形变过程中更多地表现了机械冲击效应,而各向异性表现的不明显。2.缺陷对不同温度和应变速率下纳米线形变和断裂失效的影响本节研究了缺陷对不同应变速率下的[100]单晶金纳米线形变和断裂失效行为的影响。研究结果表明了不同应变速率下的机械冲击对纳米线的形变和断裂失效起了重要的作用。与完美晶格体系相比,当纳米线体系中存在缺陷时,缺陷和应变速率两者对纳米线形变的影响之间存在着一种竞争。具体为,在1.0%ps-1的慢应变速率下,体系的微观原子运动处于平衡态,单层晶面中2%的缺陷比率就可以改变了体系形变机理。然而,在较高应变速率5.0%ps-1下,较强机械拉伸冲击的影响导致了缺陷比率达到25%时才能使纳米线的形变对缺陷表现出一定的敏感性。对于缺陷对不同温度下[100]单晶金纳米线形变行为和断裂失效的影响,本节研究了1.0%ps-1的应变速率下温度为5至750 K的纳米线形变行为。结果表明纳米线的形变和断裂过程对温度具有一定的依赖性,并且纳米线对缺陷的敏感性是建立在缺陷比率和温度导致的非晶结构的基础上。具体为,100 K低温时纳米线的形变为晶态形变,25%的缺陷比率可导致纳米线在所构建的缺陷面处断裂。500 K时,高温下原子的剧烈运动导致的非晶态使纳米线的形变在缺陷比率为70%时才对缺陷表现出一定的敏感性。3.晶界界面效应对铜纳米晶形变和断裂失效的影响本节通过不同晶向的单晶晶粒构建了[110]‖[100],[111]‖[100]和[111]‖[110]的模型,研究了晶界界面效应对纳米晶在单轴拉伸作用下的形变和断裂失效的影响。对于[110]‖[100]纳米晶,体系在单轴拉伸的作用下基本在晶界界面处断裂。当纳米晶体系中含有[111]晶粒时,[111]‖[100]在单轴拉伸的形变过程中在[100]端出现滑移的形变机理,并在[100]端断裂。而[111]‖[110]纳米晶表现了明显的晶界界面融合的特性,最终的断裂位置在[110]端出现。相比之下,[110]‖[100]在拉伸形变中的形变量较小,而其它两者的形变量相对较大。以上研究结果说明了纳米晶的晶界界面结构是影响体系形变和断裂失效的主要因素。4.温度对铜纳米晶界面形变的影响本节比较研究了温度对单轴拉伸下的[110]‖[100],[111]‖[100]和[111]‖[110]铜纳米晶界面形变的影响,结果表明了[110]‖[100]界面的界面不易融合特性基本上不受温度的影响。基于此,将单晶[110]和[100]晶粒作为[110]‖[100]纳米晶界面的两部分,对界面进行了拉伸压缩循环测试。结果说明了[110]‖[100]具有抵制暂时机械冲击的抗疲劳能力,并且此特性主要取决于晶界界面的晶体结构,而受温度的影响较小。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 本论文的主要创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 应用研究
• 1.1.2 基础研究
• 1.2 纳米线形变的分子动力学研究
• 1.2.1 单晶纳米线的形变
• 1.2.2 多晶纳米晶的形变
• 1.3 本论文的主要研究内容和意义
• 1.4 参考文献
• 第二章 分子动力学模拟计算方法简介
• 2.1 分子动力学模拟的发展
• 2.2 分子动力学模拟的原理及重要算法
• 2.2.1 粒子运动中的力学基本方程
• 2.2.2 分子动力学的运动方程求解算法
• 2.2.3 分子动力学模拟的势函数
• 2.3 本论文的研究方法
• 2.3.1 势函数
• 2.3.2 分子动力学模拟的实现
• 2.4 参考文献
• 第三章 晶体取向对不同应变速率下纳米线形变和断裂失效的影响
• 3.1 引言
• 3.2 研究方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 纳米线的形变特征
• 3.3.2 纳米线的机械性质
• 3.3.3 纳米线的断裂位置分布
• 3.4 小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 缺陷对纳米线形变和断裂失效的影响
• 4.1 引言
• 4.2 不同应变速率下缺陷对纳米线影响
• 4.2.1 研究方法
• 4.2.2 结果和讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 不同温度下缺陷对纳米线形变的影响
• 4.3.1 模拟方法
• 4.3.2 结果和讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 参考文献
• 第五章 晶界界面效应对铜纳米晶形变断裂失效的影响
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 双晶纳米晶的形变特征
• 5.3.2 双晶纳米晶的机械性质
• 5.3.3 双晶纳米晶的界面形变特征
• 5.4 小结
• 5.5 参考文献
• 第六章 温度对铜纳米晶界面形变的影响
• 6.1 引言
• 6.2 研究方法
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 纳米晶[110]‖[100]的形变特征
• 6.3.2 纳米晶[110]‖[100]的机械性质
• 6.3.3 纳米晶[110]‖[100]的拉压循环测试
• 6.3.4 晶体取向对纳米晶界面的影响
• 6.4 小结
• 6.5 参考文献
• 第七章 本论文小结和工作展望
• 附录
• 致谢