微-納米表層硬度檢測(cè)過(guò)程仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、21世紀(jì)是納米科技飛速發(fā)展的世紀(jì)，納米科學(xué)與技術(shù)以人類(lèi)改造原子、分子尺度的微觀世界為標(biāo)志，將導(dǎo)致材料、信息、生物、醫(yī)療、機(jī)械等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的飛躍。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、表面工程、納米級(jí)加工等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，微小零件表層質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。其中，硬度作為評(píng)估微/納米表層材料性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，近年來(lái)越來(lái)越受到人們的重視，然而，這個(gè)領(lǐng)域的研究目前還面臨著眾多挑戰(zhàn)，尚有許多問(wèn)題亟待解決，例如，如何進(jìn)一步完善納米力學(xué)的相關(guān)理論

2、問(wèn)題、如何對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋的問(wèn)題、如何進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)新的測(cè)量方法和手段的問(wèn)題等等。因此，對(duì)材料表層微/納米級(jí)硬度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 納米級(jí)硬度的測(cè)量與計(jì)算是近年來(lái)人們關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。本文總結(jié)了當(dāng)前納米硬度測(cè)量的主要方法，分析了它們各自的優(yōu)勢(shì)和存在的不足，并評(píng)述了未來(lái)發(fā)展方向。分子動(dòng)力學(xué)仿真是進(jìn)行納米力學(xué)研究的重要方法，本文通過(guò)對(duì)勢(shì)能函數(shù)和求解算法的分析比較，根據(jù)單晶鋁材料以及納米

3、壓痕仿真的實(shí)際特點(diǎn)建立了三維立體仿真模型，選擇Morse勢(shì)函數(shù)描述原子間相互作用，運(yùn)用Verlet算法求解運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)單晶鋁納米壓痕過(guò)程中的變形規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究，從原子角度對(duì)納米級(jí)尺度的壓痕測(cè)試與宏觀壓痕測(cè)試方法進(jìn)行了比較分析。 在深入分析仿真過(guò)程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了新的優(yōu)化方法，結(jié)合并行計(jì)算技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)十納米深度壓痕的分子動(dòng)力學(xué)仿真。結(jié)果表明：分子動(dòng)力學(xué)仿真是研究納米尺度壓痕的有效方法，并且隨著仿真規(guī)模的擴(kuò)大，仿

4、真精度不斷提高。研究了納米硬度檢測(cè)過(guò)程中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，分析了端部圓弧半徑大小對(duì)三棱錐壓頭納米壓痕檢測(cè)過(guò)程的影響，指出實(shí)際測(cè)量中壓頭并非完全理想形狀是納米硬度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的重要原因。 對(duì)納米硬度測(cè)試過(guò)程中檢測(cè)參數(shù)對(duì)硬度結(jié)果的影響進(jìn)行了研究，針對(duì)不同端部半徑壓頭的納米硬度檢測(cè)仿真結(jié)果表明，壓頭的端部半徑越大，硬度檢測(cè)結(jié)果的誤差也就越大，我們從微觀角度對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。壓頭壓入速度和納米級(jí)硬度的不同計(jì)算方法也對(duì)硬度測(cè)量值產(chǎn)生