Cu/Ta纳米多层膜在单轴拉伸下的尺寸效应与变形机理的分子动力学模拟

摘要

纳米金属多层膜是在单层膜和复合膜的基础上发展起来的一种新型薄膜，它具有整体材料和单一材料都难以达到的某些特殊性能，在航空航天、机械加工等领域具有良好的发展及应用前景，因此纳米金属多层膜吸引了众多学者的目光并成为材料研究中的一个热点。近年来，大量学者通过实验探究发现纳米多层膜具有优异的力学性能，例如高强度、高硬度和高韧性等，但是其内在的强韧化机理尚未完全明确。目前，fcc/fcc 同相界面结构多层膜的变形和强韧化机理已通过分子动力学方法得以解释和理解。但是，对于具有两相界面结构（fcc/bcc、fcc/hcp）的纳米多层膜，相应的潜在机理和理论研究相对较少。因此，本文拟通过分子动力学方法研究Cu/Ta纳米多层膜在单轴拉伸下的尺寸效应与变形机理。 本文中建立了不同晶向的Cu、Ta单质薄膜以及Cu/Ta纳米多层膜模型，并模拟了调制周期（λ）、界面构型、温度（T）以及调制比（r）对材料力学特性的影响。最后结合应力应变（σ-ε）曲线从原子尺度揭示了 Cu/Ta 纳米多层膜的变形机理。本文的主要研究内容及结论如下： ①对两种典型晶向的 Cu、Ta 单质薄膜进行了模拟和分析。研究结果表明，<112>不全位错的形核使得K-S型Cu单质薄膜发生屈服，而N-W型Cu单质薄膜屈服是由于<112>和<110>位错的形核；K-S型Cu单质薄膜的屈服强度较小而平均流动强度较大。对于Ta单质薄膜来说，<100>位错形核使得K-S型Ta薄膜产生屈服，而N-W型Ta单质薄膜则是由于部分bcc晶格结构的Ta发生相变转化为fcc和hcp结构的Ta而屈服；相比较而言N-W型Ta单质薄膜先发生屈服。 ②分析了λ对K-S型Cu/Ta纳米多层膜微观变形机理的影响，主要得出以下结论：第一，非共格界面既可以作为位错源也可以作为阻碍位错运动的壁垒；第二，Cu层内部<112>不全位错的形核使Cu/Ta纳米多层膜发生屈服，不同λ下Cu/Ta纳米多层膜的屈服强度基本保持不变；第三，λ越小界面强化能力越强位错越不易从Ta层一侧的界面处形核，即Cu/Ta纳米多层膜的最大强度随着λ的减小而增大；第四，进入塑性流动阶段以后，Cu/Ta纳米多层膜的塑性变形是由Cu层和Ta层位错运动共同作用的，当λ=11.18 nm时，Cu/Ta纳米多层膜具有最大的流动强度。 ③从原子尺度分析了Cu/Ta纳米多层膜在两种界面构型（K-S、N-W）下σ?ε曲线的变化情况。经过分析得出：第一，界面构型的不同导致Cu层位错形核的位置和种类不同，从而导致Cu/Ta纳米多层膜的屈服强度不同，即N-W型Cu/Ta纳米多层膜的屈服强度较大；第二，K-S型Cu/Ta纳米多层膜的最大强度随着λ的减小而增大，而N-W型Cu/Ta纳米多层膜的最大强度随着λ的增大而增大，主要归结于两种界面结构的 Cu/Ta 纳米多层膜的微观变形机制不同；第三，进入塑性流动阶段以后，K-S 型 Cu/Ta 纳米多层膜的平均流动强度随着 λ 的增大而增大，而N-W型Cu/Ta纳米多层膜的平均流动强度在λ=8.94nm时取得最大值，并且K-S型Cu/Ta纳米多层膜的平均流动强度较大。 ④结合σ?ε曲线从原子尺度分析了温度（10K、300K）对K-S型Cu/Ta纳米多层膜微观变形的影响。得出以下结论：第一，在一定温度范围内，温度对Cu/Ta纳米多层膜的屈服强度影响较小；第二，两种温度下 Cu/Ta 纳米多层膜的最大强度都随着λ的增大而减小，但温度较高时Cu层的<112>不全位错运动加剧，界面中外来位错密度先达到最大从而使Ta层一侧的界面处位错更易形核，即温度越高多层膜最大强度越小；第三，两种温度下Cu/Ta纳米多层膜的平均流动强度都随λ的增大而增大，但λ相同时两种温度下Cu/Ta纳米多层膜的平均流动强度基本相同。 ⑤结合σ?ε曲线分析了r对Cu/Ta纳米多层膜微观变形的影响。可以得出：第一，随着r的增大，Cu/Ta纳米多层膜中Cu的体积分数逐渐增大，对应的屈服强度逐渐减小；第二，Cu/Ta纳米多层膜的最大强度随着r的增大而减小，且当r<1时Cu/Ta纳米多层膜的最大强度随r的变化较快，说明Cu/Ta纳米多层膜的最大强度除了受到Ta体积分数减少的影响，还受到多层膜的特征结构与位错相互作用的影响；第三，进入塑性流动阶段，Cu/Ta纳米多层膜的平均流动强度基本保持不变。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2.1多层膜的概念

1.2.2金属多层膜材料的制备方法

1.2.3金属多层膜的微观结构表征

1.2.4金属多层膜的力学性能以及强化机理

1.3本文的研究意义、目的及内容

1.3.1本文的研究意义及目的

1.3.2本文的研究内容

2 分子动力学模拟方法及及程序功能简介

2.1分子动力学模拟

2.1.1分子动力学方法原理简介

2.1.2势函数简介

2.1.3系综简介

2.1.4 边界条件简介

2.1.5 MD模拟的积分算法简介

2.2分子动力学程序功能简介

2.3本章小结

3 单轴拉伸下Cu、Ta单质薄膜的研究

3.1 fcc/bcc不同界面结构的介绍

3.2 Cu单质薄膜的研究

3.2.1 两种典型晶向的Cu单质薄膜模型的建立

3.2.2 Cu单质薄膜的模拟结果及分析

3.2.3 Cu单质薄膜的微观变形机制

3.3 Ta单质薄膜的研究

3.3.1 两种典型晶向的Ta单质薄膜模型的建立

3.3.2 Ta单质薄膜的模拟结果及分析

3.3.3 Ta单质薄膜的微观变形机制

3.4本章小结

4 调制周期对K-S型Cu/Ta纳米多层膜拉伸特性的影响

4.1.1 K-S型Cu/Ta纳米多层膜模型的建立

4.1.2弛豫后K-S型Cu/Ta纳米多层膜的界面结构特点

4.2 K-S型Cu/Ta纳米多层膜的模拟结果

4.3 K-S型Cu/Ta纳米多层膜的微观变形机制

4.4调制周期对K-S型Cu/Ta纳米多层膜变形机理的影响

4.5本章小结

5 界面结构、温度及调制比对Cu/Ta纳米多层膜拉伸特性的影响

5.1.1 N-W型Cu/Ta纳米多层膜建模及界面结构特点

5.1.2 不同界面构型的Cu/Ta纳米多层膜的模拟结果

5.1.3 N-W型Cu/Ta纳米多层膜的微观变形机制

5.1.4 界面结构对Cu/Ta纳米多层膜变形机理的影响

5.2.1不同温度下K-S型Cu/Ta纳米多层膜的模拟结果

5.2.2 温度对K-S型Cu/Ta纳米多层膜变形机理的影响

5.3.1不同调制比下K-S型Cu/Ta纳米多层膜的模拟结果

5.3.2调制比对K-S型Cu/Ta纳米多层膜变形机理的影响

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1全文结论

6.2 工作展望

致 谢

参考文献

附 录

A. 攻读硕士学位期间公开发表的论文