文档介绍：河海大学
本科生毕业论文
纳米压痕的多尺度模拟
Multiscale Modelling of Nanoindentation
学院:土木工程学院
专业:工程力学
学号:04042107
学生姓名:杨鹏飞
指导老师:张雄教授、杨海霞教授
二〇〇八年六月
摘要
摘要
纳米压痕检测技术是目前量测纳米尺度材料机械性质的最主要方法之一。随
着近年来纳米科技的蓬勃发展,制造技术所能制造的纳米元件尺寸越来越小,以
往宏观的检测技术已不能使用。尤其当材料尺寸到达原子级尺度时,其所需的检
测精确度更是宏观检测技术所难以达到的。因此,纳米压痕检测技术是非常重要
的微观检测技术。
准连续介质(QC)方法是一种耦合了连续介质力学和分子力学来研究多尺度
问题的方法。QC方法在需要了解细节信息的区域采用分子力学模拟来计算,而在
远离细节的区域采用有限元方法来处理。两者之间过渡区域的粒子既被看作是分
子力学模拟中的原子,同时也作为有限元中的结点来处理。QC方法由于在所研究
问题的大部分区域采用有限元方法来处理,所以可以研究较大规模的问题。
本文采用QC方法模拟纳米压痕过程,得到了荷载-位移曲线,观察了位错成
核及发散的现象,了解到荷载突然下降与位错成核有关。对刚性基础上不同厚度
的薄膜进行压痕模拟,分析薄膜厚度对薄膜弹塑性表现得影响,其结论与实验所
得一致。对薄膜-基底材料进行压痕模拟,在软薄膜于硬基底之上和硬薄膜于软
基底之上两种情况下,薄膜厚度对整体材料复合硬度的影响效果不同。观察了薄
膜-基底材料在压痕过程中界面破坏的形式,总结出界面破坏的早晚与薄膜、基
底材料的种类和厚度有关,并提出界面破坏判断因子λ以评价界面发生破坏的可
能性大小。
关键词:纳米压痕准连续方法位错形核硬度界面破坏
I
Abstract
Abstract
Nanoindentation is one of the most popular way to measure the mechanical
property of nano-scale materials. With the recent rapid development of
nanotechnology, the size of ponent manufactured is smaller and smaller, and
macroscopical measurement es not suitable. Especially when the material size
arrives at atom-scale, macroscopical measurement can not meet the need of precision.
Therefore, nanoindentation is of much important to microcosmic measurement.
The quasicontinuum(QC) method that couples the continuum mechanics and
molecular dynamics is a kind of method to study multiscale problems. It enables that
full atomistic detail is retained in regions of the problem where it is required while
continuum assumptions reduce putational demand elsewhere. The particles lie
in the transition region act as both the atoms of molecular mechanics and the nodes of
finite element method. Thanks to finite element method dealing with the most region,
QC method can be used to study problems with larger scale.
In this thesis, the quasicontinuum method is used to simulate the processes of early