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(huì)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(huì)使得粘著問(wèn)題變得日益突出，伴隨摩擦帶來(lái)的磨損問(wèn)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?jiàn)，對(duì)微尺度粘著接觸問(wèn)題的研究顯得尤為重要。為更好解決微機(jī)械粘著接觸問(wèn)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(duì)于微/納尺度接觸變形特征的認(rèn)識(shí)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(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難度極大，且難以通過(guò)高精尖掃描隧道電鏡獲得對(duì)原子位移遷變演化軌跡的追蹤，導(dǎo)致對(duì)微/納器件接觸變形特征和相關(guān)機(jī)理認(rèn)識(shí)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(chǎng)應(yīng)用。因此，本文主要針對(duì)微觀尺度接觸體彈塑性過(guò)程的演化特征展開(kāi)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(duì)納米接觸問(wèn)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(jiǎn)稱MD）。實(shí)驗(yàn)法對(duì)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(guò)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(huì)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(duì)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(kāi)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(guò)改變外部條件因素，來(lái)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(duì)材料性能的影響不顯著，但加載速度增大會(huì)導(dǎo)致材料硬度和彈性模量增加，且溫度對(duì)材料性能有著顯著影響，但該研究忽略了對(duì)壓痕中基底位錯(cuò)演化規(guī)律的探尋。另外，Zhang 等人[8]對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(kāi)相關(guān)研究。采用CNA 法和DXA 法對(duì)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(duì)接觸載荷響應(yīng)的微觀彈塑性變形演變過(guò)程及破壞機(jī)理。對(duì)該過(guò)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(wàn)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(zhǎng)為1 fs[9-13]，模擬中對(duì)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(kāi)源LAMMPS 軟件和OVITO 軟件可視化[14]。

1.2 勢(shì)函數(shù)描述

本文基于Verlet 算法[15]對(duì)運(yùn)動(dòng)層原子位移更新迭代進(jìn)行計(jì)算，由于勢(shì)函數(shù)選取對(duì)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(shì)函數(shù)類型皆來(lái)源可靠文獻(xiàn)支撐。EAM 勢(shì)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(shì)函數(shù)在研究單晶銅基底形變機(jī)制上有顯著優(yōu)勢(shì)，其EAM 勢(shì)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(duì)勢(shì)，第二項(xiàng)為嵌入勢(shì)。

金剛石壓頭與銅基底間相互作用則采用Morse勢(shì)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(shì)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(shí)別描述

本文運(yùn)用CNA 方法[18-19]識(shí)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(guò)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(lái)確定結(jié)構(gòu)變形在壓痕過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(jiàn)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(duì)銅基質(zhì)內(nèi)做功產(chǎn)生的熱量易被缺陷原子吸收，改變?cè)优矂?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(zhǎng)增大（見(jiàn)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(hào)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(zhǎng)增殖期，即繁衍出其他位錯(cuò)環(huán)②（見(jiàn)圖3），且原有位錯(cuò)環(huán)①也隨之略微擴(kuò)張（見(jiàn)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(kāi)始由繁殖增演期過(guò)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(jiàn)后文圖5d），表明該位錯(cuò)環(huán)①持續(xù)的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25 ps?？傊?，圖2 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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)將圖3b 和圖2b 位錯(cuò)環(huán)出現(xiàn)時(shí)所在位移進(jìn)行對(duì)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)始停止生長(zhǎng)，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(kāi)始扭轉(zhuǎn)成螺旋式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)后文圖5b 中紅色線部分所示），說(shuō)明此時(shí)應(yīng)變能會(huì)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(guò)程詳細(xì)結(jié)構(gòu)外形在下文詳細(xì)闡述?？v觀圖3 中整個(gè)位錯(cuò)環(huán)②在受載中的演化過(guò)程，其展示的演化規(guī)律與位錯(cuò)環(huán)①趨勢(shì)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(guò)程中，除了位錯(cuò)環(huán)①和位錯(cuò)環(huán)②會(huì)依次出現(xiàn)演化順序的不同外，位錯(cuò)環(huán)間也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)耦合影響，這個(gè)相關(guān)性詳見(jiàn)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(shì)。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(jiàn)圖4d）。此外，從圖4 還發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)環(huán)③的生長(zhǎng)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?？梢?jiàn)，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(shuō)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(guò)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(shì)（圖7a），其與文獻(xiàn)[10-11,24]中闡述的趨勢(shì)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(zhǎng)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(jiàn)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(lái)識(shí)別壓痕中位錯(cuò)線（見(jiàn)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(huì)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(zhǎng)。位錯(cuò)環(huán)①在萌芽及生長(zhǎng)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(kāi)始發(fā)生關(guān)聯(lián)，耦合匯交于一起（見(jiàn)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(shì)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(huì)與其他鄰近分位錯(cuò)線產(chǎn)生關(guān)聯(lián)耦合效應(yīng)，來(lái)演變其結(jié)構(gòu)外形特征（見(jiàn)圖5b、c）。

圖5 環(huán)①與環(huán)②交聯(lián)演化過(guò)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(jiàn)圖6a 黃色虛線），后逐漸堆垛成核，并且匯聚一頂點(diǎn)（見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)始舒展伸長(zhǎng)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(jiàn)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(kāi)始的有序擴(kuò)展伸長(zhǎng)向無(wú)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(wú)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(wú)序越加突顯。

圖6 壓痕中密排六方堆垛形核演變過(guò)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(shì)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(duì)應(yīng)起來(lái)，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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)繁殖增演階段息息相關(guān)。由此說(shuō)明，位錯(cuò)環(huán)生長(zhǎng)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(duì)硬質(zhì)球形探頭與軟性金屬銅基質(zhì)接觸過(guò)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(huì)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(zhǎng)期→位錯(cuò)環(huán)增殖期→位錯(cuò)環(huán)維持期。此外，壓深增加會(huì)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(huì)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(zhǎng)增大繁衍過(guò)程形成一一對(duì)應(yīng)，表明位錯(cuò)環(huán)生長(zhǎng)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。