納米壓痕誘導(dǎo)單晶銅彈塑性變形分析與破壞機(jī)理研究

翁盛檳，陳晶晶，周建強(qiáng)，林曉亮

（1.衢州學(xué)院 工程實(shí)訓(xùn)中心，浙江 衢州 324000；2.寧德師范學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，福建 寧德 352100）

在微機(jī)電系統(tǒng)中，器件尺寸縮減到微觀尺度下而產(chǎn)生的表面效應(yīng)，會直接影響接觸元件在復(fù)雜工況作業(yè)的使用性能，并縮短其壽命期。相關(guān)文獻(xiàn)指出，微/納型器件間頻繁接觸碰撞，會使得粘著問題變得日益突出，伴隨摩擦帶來的磨損問題，也常常是導(dǎo)致微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)生粘著接觸失效的主要原因[1]?？梢姡瑢ξ⒊叨日持佑|問題的研究顯得尤為重要。為更好解決微機(jī)械粘著接觸問題，非常有必要深入了解微觀尺度下的動(dòng)態(tài)接觸變形情況，而目前對于微/納尺度接觸變形特征的認(rèn)識仍存在局限性和挑戰(zhàn)性。比如：接觸體微觀彈塑性變形局部演化動(dòng)態(tài)過程的實(shí)驗(yàn)觀測難度極大，且難以通過高精尖掃描隧道電鏡獲得對原子位移遷變演化軌跡的追蹤，導(dǎo)致對微/納器件接觸變形特征和相關(guān)機(jī)理認(rèn)識不足，制約了擁有優(yōu)異減摩耐磨特性的MEMS 接觸元件性能提升、研發(fā)和市場應(yīng)用。因此，本文主要針對微觀尺度接觸體彈塑性過程的演化特征展開研究。本研究在減少工程裝備摩擦磨損和避免能源巨大浪費(fèi)中，將具有非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與科學(xué)意義[2-3]。目前，針對納米接觸問題研究主要集中于實(shí)驗(yàn)法、有限元法、分子動(dòng)力學(xué)法（簡稱MD）。實(shí)驗(yàn)法對材料內(nèi)部變形特征與破壞機(jī)理解釋尚有不足，而有限元法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，在剖析微觀局部接觸區(qū)變形特征方面短板突出。選擇納尺度理論計(jì)算的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)法，可有效避免實(shí)驗(yàn)法和有限元法的不足，成為一種了解微/觀納尺度金屬接觸體彈塑性變形微觀演化特征的強(qiáng)有力輔助性研究工具。

通過調(diào)閱最新文獻(xiàn)進(jìn)展表明[4-13]：作為金屬塑性變形重要載體的位錯(cuò)特征變化，是誘導(dǎo)材料外部力學(xué)性能改變的內(nèi)在反饋訊息。Ryu 等[6]采用三維位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型，探索了承受組合載荷下的單晶銅微柱內(nèi)詳細(xì)位錯(cuò)行為規(guī)律。研究表明，在不同加載條件下產(chǎn)生的位錯(cuò)微結(jié)構(gòu)，會嚴(yán)重影響小尺寸微柱機(jī)械性能。Lee等人[5]利用實(shí)驗(yàn)法和MD 相結(jié)合的方法，對單晶金納米沖擊接觸中位錯(cuò)環(huán)形核演化觸發(fā)彈塑性變形展開了相關(guān)研究，結(jié)果表明，位錯(cuò)環(huán)演變和形核與材料微觀彈塑性行為有著緊密聯(lián)系。房豐洲等人[7]基于MD理論，通過改變外部條件因素，來探討非晶合金納米壓痕力學(xué)變形特性行為。研究指出，壓痕深度越大，加載速度越快；壓痕半徑越大，載荷越大。壓頭半徑對材料性能的影響不顯著，但加載速度增大會導(dǎo)致材料硬度和彈性模量增加，且溫度對材料性能有著顯著影響，但該研究忽略了對壓痕中基底位錯(cuò)演化規(guī)律的探尋。另外，Zhang 等人[8]對單晶鍺納米壓痕進(jìn)行MD 研究，分析了不同晶體取向下的相變路徑與相變區(qū)分布情況。結(jié)果表明，由于壓痕面晶體取向不同，卸載后，變形層的深度和形狀有著較大差異，而相變是單晶鍺薄膜納米壓痕形變的主要機(jī)制。黃健萌等人[9]運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)法對單晶銅基底受不同形狀探針加載下的力學(xué)行為機(jī)理進(jìn)行了研究，指出半球形探針較針尖形探針更有利于基底塑性變形加劇，并觀察到劃痕中位錯(cuò)環(huán)演變的有趣現(xiàn)象，但對單晶銅納米壓痕位錯(cuò)的產(chǎn)生及位錯(cuò)環(huán)的遷移演化特征尚未報(bào)道，有待進(jìn)一步深入挖掘。陳晶晶等人[10-11]對納米壓痕中銅基底粘著接觸失效進(jìn)行了MD 模擬，指出微觀尺度下粘著現(xiàn)象是引誘接觸失效的主要原因，并受探頭外部輪廓的顯著影響。Xiang 等人[13]對結(jié)構(gòu)材料單晶AlN和單晶GaN 的棱柱形位錯(cuò)環(huán)結(jié)構(gòu)生成過程進(jìn)行MD研究，指出B4 陶瓷棱柱形環(huán)的形成存在兩種機(jī)理，即套索狀機(jī)制和嵌套環(huán)機(jī)制，MD 計(jì)算結(jié)果表明，兩種不同剪切環(huán)的螺段相鄰、相互交叉，最終形成棱柱型位錯(cuò)環(huán)。

綜上所述，目前關(guān)于納米壓痕的研究主要體現(xiàn)在，外部因素改變對其力學(xué)性能的影響和微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表征分析，而關(guān)于微觀接觸體缺陷原子局部演化特征及動(dòng)態(tài)展示銅基質(zhì)內(nèi)彈塑性變形演化階段的不同特點(diǎn)報(bào)道很少。因此，本文基于牛頓力學(xué)原理的分子動(dòng)力學(xué)法，對接觸副中以球形硬質(zhì)體接觸面心立方金屬銅為代表的材質(zhì)展開相關(guān)研究。采用CNA 法和DXA 法對納米壓痕中基底位錯(cuò)缺陷原子的演化規(guī)律進(jìn)行了描述和刻化，著重觀察和研究了銅基質(zhì)對接觸載荷響應(yīng)的微觀彈塑性變形演變過程及破壞機(jī)理。對該過程的洞悉有利于深入了解微觀局部接觸變形特征。

1 分子動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算

1.1 MD 建模參數(shù)與條件設(shè)置

圖1 單晶銅納米壓痕分子動(dòng)力學(xué)三維模型Fig.1 Three dimensional molecular dynamics simulation model of nano-indentation of single crystal Cu substrate

且采用朗之萬控溫法控制基體溫度保持298 K[12]。本次模擬所選時(shí)間步長為1 fs[9-13]，模擬中對體系充分弛豫2 ns，達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、溫度、體系總能都趨于平衡態(tài)，所建物理模型皆在NVE 系綜下完成牛頓方程迭代計(jì)算[9-13]。另外，本文計(jì)算基于分子動(dòng)力學(xué)開源LAMMPS 軟件和OVITO 軟件可視化[14]。

1.2 勢函數(shù)描述

本文基于Verlet 算法[15]對運(yùn)動(dòng)層原子位移更新迭代進(jìn)行計(jì)算，由于勢函數(shù)選取對計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性起到關(guān)鍵作用，所以本文采納的勢函數(shù)類型皆來源可靠文獻(xiàn)支撐。EAM 勢函數(shù)[16]可以很好地描述Cu-Cu 間的相互作用。相關(guān)文獻(xiàn)[9]表明，該勢函數(shù)在研究單晶銅基底形變機(jī)制上有顯著優(yōu)勢，其EAM 勢函數(shù)表達(dá)式如式(1)所示。

式中，Etot為總能量，右式中第一項(xiàng)為原子i、j之間的對勢，第二項(xiàng)為嵌入勢。

金剛石壓頭與銅基底間相互作用則采用Morse勢函數(shù)[17]，其表達(dá)式如下：

式中，D表示結(jié)合能系數(shù)，α表示勢能曲線梯度系數(shù)，ro表示分子之間作用力為0 時(shí)的平衡態(tài)原子間距，其三個(gè)參數(shù)設(shè)置參閱了文獻(xiàn)[9-10]。選定D=0.087 eV，α=51.4 nm?1，ro=0.205 nm。

1.3 位錯(cuò)原子類型識別描述

本文運(yùn)用CNA 方法[18-19]識別了接觸中原子信息的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，據(jù)此表征單晶銅材質(zhì)受載荷下的基底內(nèi)變形。其中，綠色原子表示面心立方結(jié)構(gòu)（FCC），紅色原子表示密排六方結(jié)構(gòu)（HCP），藍(lán)色原子表示體心立方結(jié)構(gòu)（BCC），白色原子表示非晶結(jié)構(gòu)，模擬中堆垛層錯(cuò)主要由雙層HCP 原子構(gòu)成，如后文圖2。

1.4 維里應(yīng)力計(jì)算公式

眾所周知，材料的結(jié)構(gòu)變形是在應(yīng)力值超過一個(gè)臨界值后發(fā)生的，結(jié)構(gòu)失效破壞與von Mises 應(yīng)力相關(guān)，且Mises 等效應(yīng)力是基于局部形狀改變比能的屈服等效應(yīng)力，能有效表征材料塑性變形程度大小。所以，很有必要計(jì)算von Mises 應(yīng)力，來確定結(jié)構(gòu)變形在壓痕過程中的相關(guān)性[20-21]。von Mises 應(yīng)力計(jì)算表述如式(3)所示。

式中，σxx、σyy、σzz、τxy、τyz和τzx表示應(yīng)力張量的各分量。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓痕中原子位錯(cuò)動(dòng)態(tài)演變過程

圖2 運(yùn)用CNA 法[18-19]描述了納米壓痕誘導(dǎo)的銅基質(zhì)局部接觸區(qū)域彈塑性變形的動(dòng)態(tài)演變過程。由圖可知，整個(gè)納米壓痕中，隨探頭下降位移的增加，可清晰看到位錯(cuò)環(huán)有明顯構(gòu)型變化特征。即位錯(cuò)環(huán)構(gòu)型在納米壓痕中出現(xiàn)了4 個(gè)明顯的動(dòng)態(tài)位錯(cuò)演化階段：第一個(gè)階段為開始受載時(shí)的位錯(cuò)堆積期，此期間是堆垛原子受壓后，其位錯(cuò)構(gòu)型成環(huán)的萌芽期（見圖2a）。第二階段為銅基質(zhì)在探頭下降位移d=3 nm 時(shí)，探頭對銅基質(zhì)內(nèi)做功產(chǎn)生的熱量易被缺陷原子吸收，改變原子挪動(dòng)軌跡變化，形成位錯(cuò)環(huán)構(gòu)型，導(dǎo)致銅基質(zhì)左側(cè)首個(gè)位錯(cuò)環(huán)①出現(xiàn)，當(dāng)位移d從3 nm 增加到3.12 nm時(shí)，能清晰看出位錯(cuò)環(huán)①逐漸生長增大（見圖2b）。相關(guān)文獻(xiàn)[5,13]指出，位錯(cuò)環(huán)出現(xiàn)容易造成材料在該處出現(xiàn)空洞損壞，另有文獻(xiàn)[9]表明，位錯(cuò)環(huán)的出現(xiàn)是銅基質(zhì)孕育塑性變形的始發(fā)信號源。第三個(gè)階段為位錯(cuò)環(huán)增殖期，在探針繼續(xù)小額位移推進(jìn)時(shí)，從圖2 可清楚觀察到該位錯(cuò)環(huán)①處于生長增殖期，即繁衍出其他位錯(cuò)環(huán)②（見圖3），且原有位錯(cuò)環(huán)①也隨之略微擴(kuò)張（見圖2c）。第四個(gè)階段為位錯(cuò)環(huán)構(gòu)型穩(wěn)定維持期，在探頭位移繼續(xù)下壓基底時(shí)，位錯(cuò)環(huán)開始由繁殖增演期過渡為維持穩(wěn)定期，直到探頭下降位移為d=4.4 nm 時(shí)，其位錯(cuò)環(huán)①構(gòu)型依然保持不變（見后文圖5d），表明該位錯(cuò)環(huán)①持續(xù)的穩(wěn)定時(shí)間長達(dá)25 ps?？傊瑘D2 探頭位移下降到d=3.84 nm 時(shí)，整個(gè)位錯(cuò)環(huán)①演變歷經(jīng)四個(gè)階段，即位錯(cuò)環(huán)萌芽期→位錯(cuò)環(huán)生長期→位錯(cuò)環(huán)增殖期→位錯(cuò)環(huán)穩(wěn)定期。這四個(gè)階段所表現(xiàn)的銅基質(zhì)局部微觀結(jié)構(gòu)缺陷，可以反映微觀接觸體內(nèi)復(fù)雜彈塑性變形動(dòng)態(tài)演變過程，同時(shí)也能使人們更好地了解金屬內(nèi)部微觀變形特征，并設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異力學(xué)性能的微觀結(jié)構(gòu)。

圖2 位錯(cuò)環(huán)①形核演化和密排六方原子堆垛Fig.2 The evolution of first dislocation ring and close-packed hexagonal structure

通過觀察圖3 發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)環(huán)②在探頭下壓加載中也出現(xiàn)了類似圖2 展示的位錯(cuò)環(huán)①所歷經(jīng)的四個(gè)演化階段。然而不同的是，位錯(cuò)環(huán)②的出現(xiàn)明顯滯后于位錯(cuò)環(huán)①，這一點(diǎn)通過將圖3b 和圖2b 位錯(cuò)環(huán)出現(xiàn)時(shí)所在位移進(jìn)行對比即可證明，即圖2b 中，探頭位移d=3.12 nm 時(shí)，位錯(cuò)環(huán)①開始出現(xiàn)，而圖3b 中，探頭位移d=3.48 nm 時(shí)位錯(cuò)環(huán)②才顯現(xiàn)，此位移之前是位錯(cuò)環(huán)②萌芽期。另外，觀察圖3b、3c 還可清晰看到，位錯(cuò)環(huán)②也在進(jìn)行生長增殖，且隨著位移d增加，堆垛層錯(cuò)原子也顯著增多。在位移d=3.8 nm 時(shí)，位錯(cuò)環(huán)②開始停止生長，維持其原有位錯(cuò)穩(wěn)定構(gòu)型。而在探頭下降位移d=3.84 nm 時(shí)，位錯(cuò)環(huán)②開始扭轉(zhuǎn)成螺旋式結(jié)構(gòu)（見后文圖5b 中紅色線部分所示），說明此時(shí)應(yīng)變能會以位錯(cuò)環(huán)②構(gòu)型演化而耗散部分能量，另有部分能量轉(zhuǎn)為探頭正下方堆垛層錯(cuò)原子的滑移，該滑移過程詳細(xì)結(jié)構(gòu)外形在下文詳細(xì)闡述。縱觀圖3 中整個(gè)位錯(cuò)環(huán)②在受載中的演化過程，其展示的演化規(guī)律與位錯(cuò)環(huán)①趨勢一致，但也表現(xiàn)出有所不同的有趣現(xiàn)象。

圖3 位錯(cuò)環(huán)②形核演化和密排六方原子堆垛Fig.3 The evolution of second dislocation ring and close-packed hexagonal structure

圖4 位錯(cuò)環(huán)③形核演化和密排六方原子堆垛Fig.4 The evolution of third dislocation ring and close-packed hexagonal structure

在上述納米壓痕過程中，除了位錯(cuò)環(huán)①和位錯(cuò)環(huán)②會依次出現(xiàn)演化順序的不同外，位錯(cuò)環(huán)間也會同時(shí)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)耦合影響，這個(gè)相關(guān)性詳見后文圖5 所示。圖4 清楚地展現(xiàn)了銅基質(zhì)內(nèi)位錯(cuò)環(huán)③的動(dòng)態(tài)演化全程，該位錯(cuò)環(huán)演變所展示出的四個(gè)演化階段規(guī)律與前面位錯(cuò)環(huán)①、②的規(guī)律具有很好的一致趨勢。位錯(cuò)環(huán)③與上述位錯(cuò)環(huán)①和位錯(cuò)環(huán)②不同之處在于，其經(jīng)歷了維持穩(wěn)定階段一定時(shí)間后，隨壓深增加，逐漸斷裂成棱柱形位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，向底部發(fā)射運(yùn)動(dòng)（見圖4d）。此外，從圖4 還發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)環(huán)③的生長期始于探頭下降位移d=4 nm 時(shí)，環(huán)③出現(xiàn)滯后于位錯(cuò)環(huán)②出現(xiàn)的時(shí)間為5 ps，而滯后于位錯(cuò)環(huán)①出現(xiàn)的時(shí)間為25 ps。可見，位錯(cuò)環(huán)③的出現(xiàn)是在位錯(cuò)環(huán)②演變階段中產(chǎn)生的新位錯(cuò)環(huán)形態(tài)，由此說明位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生順序和數(shù)額的增加有著一定相關(guān)性，也表明位錯(cuò)環(huán)演化階段與探頭位移增加有著明顯依賴性，而這些關(guān)聯(lián)性特征可以較好地用于描述微觀接觸動(dòng)態(tài)過程中的塑性變形強(qiáng)弱。整個(gè)納米壓痕中的基質(zhì)內(nèi)缺陷原子結(jié)構(gòu)演化特征在載荷與位移曲線中呈現(xiàn)出鋸齒形波動(dòng)趨勢（圖7a），其與文獻(xiàn)[10-11,24]中闡述的趨勢有著很好的一致性，這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文計(jì)算相關(guān)設(shè)置的可靠性。此外，觀察圖4 發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)環(huán)③在壓痕中生長到一定程度時(shí)，很容易脫落形成位錯(cuò)核，并向下發(fā)射（見圖4d），而在位錯(cuò)環(huán)①下降位移d=4.56 nm 前，始終保持一定構(gòu)型外部特征和發(fā)射方向。

為了更好地展示位錯(cuò)環(huán)①與位錯(cuò)環(huán)②間的緊密相關(guān)性，采用DXA 法[4-6,23-25]來識別壓痕中位錯(cuò)線（見圖5）。從圖5 可以看到，位錯(cuò)環(huán)①與位錯(cuò)環(huán)②在壓痕中存在相關(guān)性，即環(huán)之間會發(fā)生交聯(lián)耦合效應(yīng)。根據(jù)前面分析可知，位錯(cuò)環(huán)①最早產(chǎn)生且構(gòu)型維持穩(wěn)定時(shí)間最長。位錯(cuò)環(huán)①在萌芽及生長和增殖繁衍階段時(shí)，與環(huán)②間尚未發(fā)生明顯關(guān)聯(lián)作用，而當(dāng)探頭位移下降到d=3.84 nm 時(shí)，與環(huán)②開始發(fā)生關(guān)聯(lián)，耦合匯交于一起（見圖5b、5c 黑圈）；當(dāng)探頭位移在d=3.84～4.04 nm 時(shí)，環(huán)①與環(huán)②交聯(lián)維持穩(wěn)定。隨著探頭位移繼續(xù)推進(jìn)，即d=4.24 nm 時(shí)，環(huán)②從環(huán)①脫落，形成棱柱形位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，該趨勢與文獻(xiàn)[13,22]中結(jié)構(gòu)材料氮化鎵在MD 模擬中產(chǎn)生的棱柱形位錯(cuò)結(jié)構(gòu)一致。此外，圖5 展示了銅基質(zhì)內(nèi)Shockley 分位錯(cuò)線（綠色線條）占據(jù)不同位錯(cuò)缺陷類型的絕大部分，且Shockley 鄰近分位錯(cuò)線會與其他鄰近分位錯(cuò)線產(chǎn)生關(guān)聯(lián)耦合效應(yīng)，來演變其結(jié)構(gòu)外形特征（見圖5b、c）。

圖5 環(huán)①與環(huán)②交聯(lián)演化過程Fig.5 The crosslinked evolution process between the first and second dislocation loop

2.2 壓痕中密排六方結(jié)構(gòu)堆垛形核演變規(guī)律

為更好地展示與探頭正下方接觸的銅基質(zhì)在載荷下的微觀內(nèi)部缺陷原子的變化特點(diǎn)，圖6 詳細(xì)地描述了其內(nèi)部堆垛層錯(cuò)原子形核演變隨探頭位移增加的顯著變化特征。從圖6a 可知，在d=2.2～2.28 nm 時(shí)，密排六方層錯(cuò)原子先并排擴(kuò)張（見圖6a 黃色虛線），后逐漸堆垛成核，并且匯聚一頂點(diǎn)（見圖6 黑色箭頭）。而在位移d=2.4 nm 時(shí)，密排六方結(jié)構(gòu)層錯(cuò)原子方位（見圖6a 的綠色虛線）與其位移前截然不同，其主要原因可能是，受載繼續(xù)增加使得局部接觸應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致局部接觸區(qū)域缺陷原子重排能量不穩(wěn)定而聚合形成新穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，在探頭位移d=2.44～2.8 nm 時(shí)，依然可以清晰地發(fā)現(xiàn)綠色虛線表示的密排六層原子開始舒展伸長傳播，且極易尋找鄰近密排六方結(jié)構(gòu)，以堆垛成核的方式形成刃型位錯(cuò)（見圖6 黑色箭頭堆垛方位所示）。圖6c 相比圖6b，其密排六方結(jié)構(gòu)原子堆垛方位由開始的有序擴(kuò)展伸長向無序舒展轉(zhuǎn)變，且層錯(cuò)數(shù)目明顯增多；而圖6d相比圖6c 變得更加無序，且HCP 結(jié)構(gòu)堆垛匯聚頂點(diǎn)位置也不斷遷移，其主要原因是，此時(shí)球形探頭逐漸深入銅基質(zhì)內(nèi)，接觸面積的增大導(dǎo)致銅基質(zhì)內(nèi)強(qiáng)烈的塑性形變和破壞程度加劇，進(jìn)而造成HCP 結(jié)構(gòu)堆垛無序越加突顯。

圖6 壓痕中密排六方堆垛形核演變過程Fig.6 The evolution process of six-square stacking nuclei in nano-indentation

圖7 單晶銅納米壓痕中的力學(xué)破壞行為Fig.7 Mechanical failure behaviour for single crystal copper in nano-indentation

圖7b 定量描述了位錯(cuò)缺陷原子結(jié)構(gòu)種類隨探頭位移增加的曲線關(guān)系。從圖7b 可知，當(dāng)探頭與銅基質(zhì)正式接觸時(shí)，隨著探頭壓入基底，基底內(nèi)位錯(cuò)原子以HCP 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，較BCC 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯增多，且上升斜率也明顯比BCC 結(jié)構(gòu)大，此趨勢與圖6 中不同類型位錯(cuò)原子隨探針位移增加的演變圖能一一對應(yīng)起來，表明此接觸區(qū)域原子遷移更容易以密排六方結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而堆垛成核，形成新的穩(wěn)定態(tài)。為了更好地展示銅基質(zhì)內(nèi)彈塑性破壞機(jī)理，圖7c、d 以維里應(yīng)力方式展示了壓痕中基底的應(yīng)力整體分布云圖。該云圖表明，壓痕過程中，與探頭接觸的最表層應(yīng)力較亞表層應(yīng)力不夠集中，而應(yīng)力主要集中于緊密接觸區(qū)域的亞表層，即亞表層最容易發(fā)生破壞形式，且隨壓痕深度的增加，其應(yīng)力集中越加明顯，損壞程度也越發(fā)嚴(yán)重。此外，在壓痕中，接觸區(qū)域兩側(cè)不斷有應(yīng)力集中，隨壓深增加，該兩側(cè)區(qū)域應(yīng)力集中的顏色逐漸變深且范圍波及更廣（見圖7c、d 箭頭）。其主要原因是，壓頭位移持續(xù)增加，給予基底更大的載荷沖擊，導(dǎo)致接觸邊緣兩側(cè)的位錯(cuò)環(huán)演變遷移（見圖2—圖5），且兩側(cè)應(yīng)力集中方位與圖1—圖4 的位錯(cuò)環(huán)生長繁殖增演階段息息相關(guān)。由此說明，位錯(cuò)環(huán)生長演變階段一定程度上可以很好地描述其銅基質(zhì)內(nèi)塑性變形的強(qiáng)烈程度和局部非接觸區(qū)域的損傷破壞程度。

3 結(jié)論

本文采用分子動(dòng)力學(xué)法，對硬質(zhì)球形探頭與軟性金屬銅基質(zhì)接觸過程中的內(nèi)在彈塑性變形動(dòng)態(tài)演化特征的位錯(cuò)環(huán)進(jìn)行了相關(guān)研究，并分析了銅基質(zhì)在壓痕受載中的破壞形式及內(nèi)在機(jī)理，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）銅基質(zhì)在納米壓痕受載中，其內(nèi)部缺陷原子會形成位錯(cuò)環(huán)構(gòu)型，且該構(gòu)型隨探頭位移增加而經(jīng)歷四個(gè)階段，即位錯(cuò)環(huán)萌芽期→位錯(cuò)環(huán)生長期→位錯(cuò)環(huán)增殖期→位錯(cuò)環(huán)維持期。此外，壓深增加會演化出更多位錯(cuò)環(huán)數(shù)額，且鄰近位錯(cuò)環(huán)易發(fā)生交聯(lián)咬合，并以脫落方式向基底底部發(fā)射。

2）納米壓痕接觸中，銅基質(zhì)內(nèi)缺陷原子主要以HCP 結(jié)構(gòu)存在。壓痕初期，密排六方結(jié)構(gòu)的HCP 會隨壓深增加而逐漸擴(kuò)張舒展蔓延，當(dāng)壓深達(dá)到一定程度后，HCP 容易與其附近類似結(jié)構(gòu)形成關(guān)聯(lián)耦合效應(yīng)，產(chǎn)生刃型位錯(cuò)和螺旋扭轉(zhuǎn)位錯(cuò)構(gòu)型。

3）納米壓痕受載中，銅基質(zhì)表面損失程度主要集中于亞表層，而表層損失程度相比亞表層及破壞層小得多，且隨壓深增加，亞表層損傷破壞程度加劇，并從接觸兩側(cè)以應(yīng)力波形式傳播，該兩側(cè)應(yīng)力集中程度緊隨亞表層后，并與位錯(cuò)環(huán)生長增大繁衍過程形成一一對應(yīng)，表明位錯(cuò)環(huán)生長到維持階段能一定程度反映銅基質(zhì)內(nèi)塑性形變的劇烈程度。