基于纳米压痕技术的纳米孪晶形成及强化机理研究

摘要

纳米孪晶结构能够提高材料的硬度、强度、塑性、断裂韧性等力学性能，其制造方法与工艺已经成为先进制造学、物理学、材料学、力学等多学科关注的焦点。然而，目前纳米孪晶的实验与理论研究工作尚处于起步阶段，而且主要集中于Cu等金属单质，以及一些非金属材料，而对于工程合金材料纳米孪晶表面的制备研究却很少。因此，对纳米孪晶进行理论研究，并将其制造方法与工艺应用于工程合金表面，是一项非常有意义的研究课题。本文在探究碲锌镉(CZT)纳米孪晶形成机理的基础上，将其理论与实验研究拓展到低层错能工程合金镍基合金C-2000。
　　采用分子动力学(MD)纳米压痕仿真的方法实现了CZT单晶形成纳米孪晶结构的演变过程，计算出CZT纳米孪晶化的临界应力为1.38 GPa。除了一个沿着[(1)11]方向支撑压痕的孪晶界外，其余所有的孪晶界都沿着[11(1)]方向，解释了实验中孪晶结构单向连续的特性。卸载后，3个孪晶片的厚度分别为3.2 nm、3.5 nm、16nm，与实验中一个厚度大于12.7 nm孪晶片伴随着一个或者几个厚度小于12.7 nm孪晶片的重复交替结构相吻合。另外，分析了在实验中纳米孪晶CZT的硬度相比于单晶提高，并保持良好塑性的原因。
　　通过MD纳米压痕模拟，研究了镍基合金C-2000中纳米孪晶的形成及强化机理。在单晶基础上实现了纳米孪晶的演变过程，并深入分析了纳米孪晶的形核和扩展机制，计算得到镍基合金C-2000纳米孪晶化的临界应力为4.48 GPa，孪晶的产生、解孪、恢复、再生等过程，都与材料受到的剪切应力密切相关。通过对单晶和孪晶模型的纳米压痕模拟对比，发现纳米孪晶的硬度、应变强化等力学性能要强于单晶，并解释了纳米孪晶的强化是由于不全位错受到了孪晶界(TB)的阻碍，在TB处产生了塞积。另外，通过对比孪晶片厚度为18nm、12nm、1.2 nm的孪晶模型的纳米压痕模拟结果，发现孪晶界的密度对纳米孪晶材料的性能有着重要的影响。
　　根据纳米孪晶形成机理，进行了镍基合金C-2000的纳米压痕实验。在最大载荷为15 mN、100 mN、1.0 N和5.0 N的条件下，对经过化学机械抛光(CMP)的样本进行了纳米压痕实验。通过压痕边缘的选区电子衍射(SAED)图像以及透射电镜(TEM)图像，可以证明镍基合金表面在纳米压痕过程中产生了纳米孪晶结构，从而验证了模拟结果。这种特殊的结构使得合金表面的硬度、抵抗变形能力等力学性能得到了提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源与研究背景及意义

1．1．1 课题的来源

1．1．2 研究背景及意义

1．2 碲锌镉(CZT)与镍基合金C-2000简介

1．2．1 碲锌镉(CZT)简介

1．2．2 镍基合金C-2000简介

1．3 纳米孪晶的研究现状

1．3．1 纳米孪晶的实验研究现状

1．3．2 纳米孪晶的理论研究现状

1．4 论文的主要研究内容

2 分子动力学模拟的计算原理和主要技术

2．1 分子动力学模拟的计算原理

2．1．1 分子动力学的基本原理

2．1．2 积分算法

2．1．3 原子间相互作用的势函数

2．1．4 系综

2．1．5 边界条件

2．1．6 时间步长的选择

2．2 本文分子动力学模拟的主要技术

2．2．1 分子动力学仿真软件及显示软件

2．2．2 结构模型的构建与优化

2．2．3 晶体缺陷的分析技术

2．2．4 基于分子动力学的纳米压痕仿真简介

2．3 本章小结

3 碲锌镉纳米孪晶结构形成机理的分子动力学研究

3．1 碲锌镉纳米压痕的仿真模型与仿真条件

3．1．1 仿真模型的建立

3．1．2 仿真条件的选取

3．2 碲锌镉纳米压痕中纳米孪晶形成及演变过程模拟

3．2．1 纳米孪晶结构形成过程分析

3．2．2 卸载模型分析

3．3 碲锌镉纳米孪晶结构形成的临界剪切应力分析

3．3．1 临界剪切应力的计算

3．3．2 剪切应力-位移曲线分析

3．4 本章小结

4 镍基合金纳米孪晶结构形成机理的分子动力学研究

4．1 镍基合金纳米压痕中纳米孪晶的形成及演变过程模拟

4．1．1 仿真模型的建立与仿真条件

4．1．2 纳米孪晶的形核与扩展过程分析

4．1．3 五重孪晶的形成过程分析

4．2 镍基合金纳米孪晶结构形成的临界剪切应力分析

4．2．1 仿真模型的建立与仿真条件

4．2．2 临界剪切应力的计算

4．2．3 剪切应力-位移曲线分析

4．2．4 卸载模型分析

4．3 本章小结

5 镍基合金纳米孪晶结构强化机理的分子动力学研究

5．1 镍基合金纳米压痕的仿真模型与仿真条件

5．1．1 仿真模型的建立

5．1．2 仿真条件的选取

5．2 镍基合金纳米孪晶结构强化效应仿真过程

5．2．1 载荷-位移曲线分析

5．2．2 镍基合金纳米孪晶结构在纳米压痕过程中的强化机理分析

5．3 本章小结

6 镍基合金C-2000纳米压痕实验研究

6．1 纳米压痕实验的基本原理

6．2 纳米压痕实验条件及方法

6．2．1 实验设备

6．2．2 样本处理

6．2．3 实验方法

6．3 纳米压痕实验结果分析

6．3．1 前2次纳米压痕实验分析

6．3．2 100次循环加载过程分析

6．4 纳米压痕试验中纳米孪晶结构的形成

6．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢