微纳米尺度的力学行为

微纳米尺度的力学行为

杨卫

(清华大学工程力学系,北京100084)

摘要:本文展述微纳米尺度力学行为的若干新进展:(1)微纳米尺度的断裂行为)侧重于从离散位错区到无位错区再到原子运动混沌区的纳观断裂力学描述;(2)微纳米尺度的塑性行为)探讨位错机制被抑制后的塑性变形机制;(3)纳米晶体中的扩散)以不均匀晶界和三晶交网络的扩散为主导;(4)微纳米尺度的接触与摩擦)讨论由于接触区域小而引起的反常行为;(5)微纳米尺度的碰撞)介绍新发现的超音速激波的机理;(6)跨层次算法2从原子/连续介质的可透越区模型到握手区连结的物质点/分子动力学方法。

关键词:微纳米尺度力学断裂塑性扩散摩擦跨层次纳米晶体

The Mechanics Characteristic of Micro2nanoscale

YANG Wei

(Tsinghua University,Beijing100084)

微纳米尺度力学是国际理论与应用力学联合会确立的5个力学发展新方向之一,近年来得到飞速发展。本文仅讨论与著者10年来的科研工作有密切关系的6个相关的前沿科学问题。

1微纳米尺度的断裂行为

微纳米尺度的断裂行为是一个多层次的问题[1,2]。近年的研究结果表明:由外至内,裂纹尖端由下述嵌套区域所包围:(1)弹性区、(2)连续介质经典塑性区、(3)基于几何必需位错的应变梯度区、(4)离散位错区、(5)无位错弹性区、(6)裂尖原子运动混沌区。前三个外层区域是连续介质力学的研究范畴。我们近年的工作主要集中在后三个内层区域。

在离散位错区,我们利用位错堆积模型论证了受约束金属薄层的断裂韧性随层厚的下降[1],建立并提出了由裂纹DFZ前位错反塞积所驱动的准解理断裂理论[3]。该理论解释了裂纹钝化后再出现脆性解理断裂的有趣现象,定量地表达了由于裂纹钝化时位错发射而造成的应力双峰分布,导致在裂纹前方的纳米裂纹形核并随之与主裂纹汇合的机制。利用纳米云纹法,我们得到了单晶硅从离散位错区到无位错区的纳观变形场,见图1[4]。由此可获得直至离裂尖4nm的应变场,比以往的裂尖位移量测结果细化了约2个量级。结果表明线弹性断裂力学K场可适用于裂纹尖端几个纳米的尺度解。对裂尖原子运动混沌区,通过探讨原子振动混沌模式在裂纹顶端随应力强度因子历史的时间演化和空间传播特征而发现:在准静态解理断裂前会发生原子混沌运动的前兆,该混沌过程所需的K场激发值仅为准静态下理论断裂韧性值的一半;位错的发射也具有混沌特征,位错在时空位置上飘忽不定的概率分布造成位错云,裂尖位错发生混沌所需的应力强度因子值亦仅为准静态理论值的一半。材料韧脆转变决定于解理与位错发射两种混沌模式在时间演化和空间传播的竞争。

2 微纳米尺度的塑性行为

常规晶体的塑性行为基于位错理论。但当晶粒尺寸减小到20nm 范围内时,实验表明晶粒内鲜有位错存在。纳米晶体由仅可弹性畸变的晶粒和可物质扩散的晶界组成。纳米晶体的塑性机制是固体力学的一个重要问题。Ashby 的四晶粒团簇模型尚未形成一个变形的闭环。我们提出了9晶粒团簇模型,整个变形环节由插入过程和旋转过程构成。该环节可循环往复,实现任意延伸率。我们建立了考虑插入和旋转过程的纳米晶体塑性理论

[5]

,在不需

任何拟合参数的情况下定量地模拟出纳米铜的蠕变数据。对该模型已经完成了二维和三维的推广

[6]

,

并发展了材料微结构演化的模拟算法。

分子动力学是研究微纳米尺度高速变形的一种手段。我们提出一种高效率、具有O(N)计算性能的并行分子动力学数值模拟方案。采用该方法对纳米结构进行了并行分子动力学数值模拟[7]。已经实现对100万个原子的系统进行数百万步的国内计算量最大的分子动力学模拟,见图2。模拟结果表明:(1)高速大变形由堆垛层错的形成所主导;(2)出现从长程有序到短程有序的转变;(3)晶粒半径分布变宽,平均半径随变形增加;(4)晶粒长大的主要机制是小转动下由堆垛层错穿越晶界的汇合机制和大

转动下由堆垛层错平行扫过晶界的孪晶机制。

图1 单晶硅裂纹尖端处的垂直位移场云纹图,左:无云纹错配;右:

有错配应变和错配角

图2 多晶纳米铜在快速拉伸变形下的局部晶序图,左:2%;右:39%

3 纳米晶体中的扩散

对微纳米尺度的晶粒,同质或异质的晶界扩散十分重要。前者对纳晶金属蠕变行为起重要影响,后者在低温渗氮等过程中起决定作用。对经过表面纳米化的金属多晶体,尺度效应在多晶扩散中有很强的体现。我们在经典多晶扩散模型(L 2M 模型)的基础上引入晶粒尺寸的梯度分布,数值模拟了表

面机械研磨Fe 渗氮实验的浓度分布曲线[8],定量地再现了低温渗氮过程。我们还进一步讨论了三晶交对多晶扩散的影响,提出三晶交三维网络扩散模型。

4 微纳米尺度的接触与摩擦

微纳米尺度的接触与摩擦讨论由于接触区域小而引起的反常行为。这时有两个尺度比值引人注目:一个是接触区域尺度与晶粒尺度的比值;一个是

接触区域尺度与JKR 粘结影响尺度的比值。在纳米多晶的高速压痕过程中,会不断发射堆垛层错。这些层错往往被高度密集的网状晶界捕获,从而阻止了塑性变形向纳米晶体材料内部的传播。我们[9]利用并行分子动力学计算研究了纳米晶体在纳米压痕下的堆垛层错的迸发和终止。在纳米多晶进行纳米压痕时,压在晶界处时的力-位移响应比压在晶内处稍软。而单晶压痕过程中生成的堆垛层错可直接传播到晶体内部。碳纳米管的接触行为是一个非常奇异的现象。我们用分子动力学方法对平行堆叠的单壁碳纳米管之间的接触与摩擦过程进行了模拟和分析。展示了纳米管之间的悬浮和反常摩

擦学现象,碳纳米管分子之间的长程范德华力是导致碳纳米管这些反常行为的一个原因

[10]

。

5 微纳米尺度的碰撞

关于超高速撞击的分子动力学模拟[11]表明:当以每秒10公里的高速用铜纳米颗粒撞击铜基体时,会形成以超音速的速度传播的激波。图3表示了在镶嵌原子法(EAM)下的模拟结果。出现超音速激波的原因在于波前由于高度压缩而引起的切线模量激增,导致产生局部亚音速但总体超音速的压缩激

波。

图3 用EAM 势模拟的以10km/s 速度碰撞后0.2ps 、0.4ps 、0.6ps 、0.8ps 、1.0ps 和1.2ps 时刻的径向速度场图

6 跨层次算法

我们早期提出了宏细纳观三层嵌套模型。其构成方案为:(a)用原子镶嵌模型和分子动力学理论模拟裂尖附近的纳观区行为;(b)用弹性基体加离散位错来描述细观区行为,位错的运动由位错动力学曲线支配;(c)在纳观区与细观区的交界上采用原子/连续介质交叠带和缺陷结构的透越技术,实现裂尖发射位错的跨层次传递;(d)在宏观区采用超弹性/粘塑性大变形本构关系和有限元计算方案;(e)在纳观区与细观区的交界上采用位错吸收条

件。该原子点阵/连续介质的嵌套算法还可以模拟界面结构与形貌。在原子点阵/连续介质交叠带方案下,Yang 等[1,12]模拟出从裂尖发射的原子点阵位错运行并转变为连续介质位错群的动态过程,并探讨了在不同界面断裂混合度下波折界面对位错发射的抑制作用。但这种连续介质-分子动力学分区耦合算法不具有自适应优化特征。必须发展具有动力特征、级进特征、层次间无缝连接、自适应优化的新算法。/晶格材料点方法0体现了这些新的要求。晶格材料点既代表连续介质意义上的材料点,又代表原子意义上的晶格点。它为自适应材料点方法和分