基于球面触点接触模式的铜膜纳观变形探析

摘要

对微机电系统金属铜膜接触变形特征的了解和位错原子迁演的寻迹对改善工况接触质量极为重要。基于分子动力学法,对球面触点与微器件铜膜的接触变形展开研究,分析铜膜力-位移曲线对应构型演变特征,用WSDA法描述接触变形特性,并比对触点轮廓对铜膜内、外表面的变形差异。研究表明:弹性接触时,力-位移曲线的Hertz理论与MD结果吻合,而接触区铜膜两侧的位错环凸显是塑性变形始发源与侧面滑移带产生的萌芽端,也是弹性阶段后的Hertz理论与MD的力-位移曲线不吻合主因。受载铜膜的位错原子会演化为位错环,位错环构型演变有4个动态阶段:位错环萌芽期、生长增大期、繁衍增殖期、维持稳定期。随着触点轮廓增加,位错环构型也相应扩张,而位错环演化4个阶段不受外围轮廓影响。另外,受载铜膜接触区两侧滑移带蔓延处的应力较集中,亚表层应力集中度强烈依赖于触点外围轮廓尺寸。验证了WSDA法可有效描述铜膜受载时的变形特征,并随触点轮廓增加而迅速向两侧蔓延传播,与受载铜膜的应力、应变趋势获得一致。研究结果将对微观金属弹塑性变形转化的微观临界态揭示中有着重要参鉴价值。