納米壓痕儀 壓頭速度對Ni3Al納米壓痕過程影響的數值仿真

來源:職場知識 發布時間:2019-07-23 04:39:07 點擊:

  摘要: 用分子動力學仿真分析金剛石壓頭速度(5~30 m/s)對Ni3Al納米壓痕分子動力學結果的影響.采用中心對稱參數(Center Symmetry Parameter,CSP)分析相同壓入深度時各模型基體内部位錯的萌生和生長情況.結果表明壓頭壓入速度對納米壓痕過程有顯著影響:壓頭壓入速度越大,最大加載力和相應的硬度也越大;壓入速度對基體内部位錯萌生和生長的發生時間有顯著影響,但其對位錯運動的總體趨勢不能産生明顯影響.
  關鍵詞: 分子動力學; 壓頭速度; 位錯; Ni3Al; 納米壓痕
  中圖分類号: TG146.1 文獻标志碼: B
  Numerical simulation on effect of indenter velocity on
  Ni3Al nano-indentation process
  HU Tengyue1, ZHENG Bailin1, HE Pengfei1, YUE Zhufeng2
  (1. Institute of Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China;
  2. School of Mechanics and Civil Architecture, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)
  Abstract: The effect of the diamond indenter velocity (5~30 m/s) on the result of Ni3Al nano-indentation molecular dynamics is analyzed by molecular dynamics simulation and analysis. The Center Symmetry Parameter(CSP) is used to analyze the dislocation initiation and growth of different models under the same indentation depth. The results show that the indenter velocity has significant effect on the nano-indentation process. The faster the indenter velocity is, the larger the maximum indention load and the corresponding hardness are, and the indenter velocity has significant effect on the time of the dislocation initiation but it can not affect the overall tendency of dislocation motion.
  Key words: molecular dynamics; indenter velocity; dislocation; Ni3Al; nano-indentation
  收稿日期: 2013-06-09 修回日期: 2013-08-11
  基金項目:國家自然科學基金國際(地區)合作交流項目——重大國際合作研究項目(51210008)
  作者簡介: 胡騰越(1989—),男,江西豐城人,碩士研究生,研究方向為納米壓痕的分子動力學仿真,(E-mail)hutengyue1@163.com;
  鄭百林(1966—),男,陝西岐山人,教授,博導,博士,研究方向為複合材料力學與數值仿真,(E-mail)blzheng@tongji.edu.cn
  0 引 言
  納米壓痕技術是最具有前途的實驗手段之一,經常應用于研究納米尺度範圍材料的力學行為.[1]由納米壓痕實驗中的數據可以計算出材料的硬度和彈性模量等力學參數.分子動力學仿真近年來已經被證明是研究納米壓痕過程中塑性變形行之有效的方法.[2-3]基于分子動力學的納米壓痕仿真通過描述原子之間相互作用的勢能關系,跟蹤壓痕的動态過程,可以解決傳統實驗中無法解決的困難,為理解納米尺度下壓痕機理提供原子尺度的方法.[4]
  LANDMAN等[5]最先用分子動力學仿真研究金屬探針與金屬基體的納米壓痕過程,結果發現,當探針靠近到基體一定距離時,基體表面會鼓起而突跳與探針接觸,探針壓入基體後将使基體材料産生塑性變形;IMRAN等[1]研究不同加載速度對純Ni納米壓痕結果的影響,結果發現加載速度對納米壓痕的結果有顯著影響.目前,對Ni3Al的納米壓痕分子動力學仿真還比較少,而比較加載速度對納米壓痕結果(硬度以及位錯萌生和生長)的影響就更少,因此本文研究加載速度對Ni3Al合金納米壓痕分子動力學結果的影響.
  1 分子動力學模型
  單晶Ni3Al薄膜納米壓痕的三維分子動力學模型由單晶Ni3Al薄膜試件和金剛石壓頭組成,見圖1.基體x,y和z分别取晶向(100),(010)和(001).相關計算參數見表1.仿真中,在x和y方向上采用周期對稱邊界條件;在z方向上,上表面為自由邊界條件,下表面的若幹層原子為固定原子層.本文研究速度對納米壓痕結果的影響,因此分别采用5,10,20和30 m/s等4種速度模型作為研究對象.
  圖 1 納米壓痕分子動力學模型
  Fig.1 Nano-indentation molecular dynamics model   表 1 納米壓痕分子動力學仿真計算參數
  Tab.1 Calculation parameters for nano-indentation molecular dynamics simulation
  MISHIN等[6]提出的嵌入原子勢EAM勢函數近年來被成功用于描述Ni-Al的微觀結構特征,可以很好地描述金屬原子間的相互作用,本文采用該勢函數描述基體Ni3Al的作用行為,金剛石C-C,C-Ni和C-Al的作用勢采用Morse勢描述.[7]Morse勢的能量表達式E可以用3個參數定義,E=D0(e-2α(r-r0)-2e-α(r-r0)), r

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