纳米压痕及超精密切削过程的分子动力学模拟

摘要

超精密切削是一种先进的加工技术，所涉及的力学过程处于原子尺度，离散性是其主要特征。基于连续介质力学构建的现象学模型不适合这一加工过程的描述。分子动力学是用于求解这一纳米尺度力学过程的有效手段之一。本文采用大规模分子动力学模拟软件LAMMPS对纳米压痕实验及纳米切削过程进行了深入而详实的数值模拟研究，主要结果如下：
　　（1）研究了纳米单晶铜在不同晶体方位下的压痕产生过程，提出了一个可行的、计算效率高的接触面积算法，获得了纳米压痕过程中的硬度同下压深度的定量关系，揭示该过程的尺度效应，观察到了不同晶体方位下位错的演化过程，如位错的形核、增殖、湮灭等。
　　（2）计算分析了纳米多晶体的压痕实验过程，计算结果呈现出显著的反常Hall-Petch效应；同时研究了不同压头形状对压痕实验中的纳米硬度的影响。
　　（3）模拟分析了不同晶体方位下纳米切削过程；揭示了切削力同晶体方位的内在联系，定义了切削硬度，利用（1）中提出的面积求解算法，计算切削硬度，结果显示出其同晶体方位的密切相关性；同时探讨了不同切削深度对切削力及切削硬度的影响。

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一 绪论

1.1 课题来源、研究背景与意义

1.2 国内外超精密切削仿真的研究现状及分析

1.3 本文研究内容及章节安排

二 分子动力学基本理论与关键技术

2.1 分子动力学基本理论

2.2 LAMMPS简介

2.3 本章总结

三 纳米压痕实验的分子动力学模拟

3.1 纳米压痕介绍

3.2 单晶铜纳米压痕实验分子动力学模拟

3.3 晶体方位对单晶铜纳米压痕的影响

3.4 多晶铜球形压头纳米压痕实验分子动力学模拟

3.5 多晶铜Berkovich压头纳米压痕实验分子动力学模拟

3.6 本章总结

四 超精密切削的分子动力学模拟

4.1 超精密切削的分子动力学模拟模型构造

4.2 晶体方位对超精密切削过程的影响

4.3 切削深度对超精密切削过程的影响

4.4 本章总结

五 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 插图索引

附录B 表格索引

附录C 攻读学位期间发表的学术论文