晶粒尺寸對(duì)多晶銅接觸力學(xué)特性的影響

林起崟 張瑜寒 洪 軍 王 晨 張寧?kù)o

1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，7100492.西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)科學(xué)與基礎(chǔ)部件研究所，西安，710049

0 引言

機(jī)械裝備中存在大量的結(jié)合面(又稱(chēng)裝配連接界面)，結(jié)合面的存在破壞了機(jī)械結(jié)構(gòu)力和轉(zhuǎn)矩傳遞的連續(xù)性，因此它對(duì)整機(jī)性能具有舉足輕重的影響[1]。結(jié)合面從微觀上看是由眾多高度不同的微凸體構(gòu)成的，并且結(jié)合面的表面形貌具有多尺度特征，其表征尺度可達(dá)納米尺度[2]。接觸剛度作為描述結(jié)合面接觸力學(xué)性能的重要參數(shù)之一，其大小會(huì)直接影響整機(jī)的靜動(dòng)態(tài)特性[3-4]。此外，材料的表面硬度作為結(jié)合面的重要材料力學(xué)性能參數(shù)，與接觸剛度有十分密切的關(guān)系[5]。由于宏觀連續(xù)介質(zhì)理論已不再適用于納米尺度接觸問(wèn)題的研究，而實(shí)驗(yàn)法也難以觀察到材料納米尺度下內(nèi)部的原子運(yùn)動(dòng)情況，且材料加工費(fèi)用昂貴、耗時(shí)長(zhǎng)，因此分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics，MD)模擬方法[6-7]憑借其成熟的理論和高效的計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)成為了微納尺度下接觸研究中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值方法[8]。

針對(duì)結(jié)合面的接觸研究，已有許多學(xué)者建立了很多分子動(dòng)力學(xué)數(shù)值接觸模型。在單微凸體接觸模擬方面：黃健萌等[9]開(kāi)展了兩種不同形狀的金剛石壓頭與單晶銅基體的黏著接觸分子動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)由于半球形壓頭底部表面積比圓錐形壓頭底部表面積更大，導(dǎo)致半球形壓頭與基體之間的引力更大，從而更易產(chǎn)生黏著接觸現(xiàn)象并且下壓過(guò)程中半球形壓頭所受到的法向接觸力更大；YANG等[10]在微觀尺度下用原子模擬的方法對(duì)連續(xù)介質(zhì)接觸理論進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬了名義光滑的球形壓頭與空間平面基體的接觸與分離過(guò)程，發(fā)現(xiàn)最大法向接觸力的大小與壓頭的尺寸相關(guān)，并且在壓入的過(guò)程中伴隨有不同位錯(cuò)的成核、運(yùn)動(dòng)、湮滅；MOJUMDER等[11]開(kāi)展了純鋁的納米壓痕分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)隨著壓頭尺寸的增大，壓頭與基體的接觸面積變大，壓痕力和位錯(cuò)密度相應(yīng)更大，并且硬度和彈性模量均增大；樊江等[12]建立了球狀微凸體剪切運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模型，分析了單晶銅微凸體在剪切運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切向接觸力和法向接觸力隨微凸體半徑的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)單晶銅在真空中發(fā)生干摩擦?xí)r滑動(dòng)摩擦因數(shù)只與微凸體形狀參數(shù)有關(guān)。

在多微凸體粗糙表面的接觸模擬方面：SANTHAPURAM等[13]建立了包含有球形微凸體和圓柱形微凸體的粗糙鋁表面分子動(dòng)力學(xué)接觸模型，對(duì)比了這兩種粗糙表面的接觸力學(xué)響應(yīng)。黃仕平等[14]采用分子動(dòng)力學(xué)-格林函數(shù)法模擬了高斯粗糙表面的接觸過(guò)程，探討了由微球體組成的粗糙面的接觸力學(xué)特性，模擬發(fā)現(xiàn)，在微凸體高度符合高斯分布的情況下，接觸面積與接觸力成線性關(guān)系。YASTREBOV等[15]采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了分形粗糙表面與彈性半空間體的無(wú)摩擦以及無(wú)黏著接觸過(guò)程，研究了Nayak參數(shù)對(duì)接觸面積演化的作用，結(jié)果表明，在給定的歸一化壓力下，接觸面積隨Nayak參數(shù)變化呈現(xiàn)對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)。

上述研究均主要著眼于粗糙表面的微觀幾何形貌結(jié)構(gòu)對(duì)其接觸功能屬性的影響機(jī)理，并未針對(duì)接觸表面的材料力學(xué)性能參數(shù)(如表面硬度)對(duì)接觸性能的影響展開(kāi)研究。本文基于混合勢(shì)函數(shù)(EAM和Morse)，采用Verlet算法對(duì)剛性半球形金剛石壓頭與彈塑性多晶銅基體的分子動(dòng)力學(xué)黏著接觸與分離過(guò)程進(jìn)行了仿真，從能量角度分析了不同晶粒尺寸對(duì)多晶銅基體的納米硬度和接觸剛度的影響規(guī)律。通過(guò)揭示多晶銅基體亞表面的變形機(jī)理，從原子尺度解釋了上述規(guī)律現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

1 分子動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算方法

1.1 建模與仿真

剛性球體與彈塑性半空間體的接觸模型是接觸力學(xué)方面研究所采用的經(jīng)典接觸模型之一[16]。圖1為本文構(gòu)建的分子動(dòng)力學(xué)接觸模擬仿真模型的XY平面示意圖。該模型由上下兩部分構(gòu)成，上半部分為金剛石壓頭，鑒于典型Berkovich壓頭的尖端在納觀尺度下為半球形，因此本模擬中壓頭的形狀選取為半球形，綜合考慮壓入深度與基體尺寸，選取壓頭的半徑為3.5 nm；下半部分為多晶銅基體，其三個(gè)維度的尺寸分別為50a×50a×30a，a為晶體銅的晶格常數(shù)。由于金剛石的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅材料的硬度，因此在接觸模擬過(guò)程中將金剛石壓頭視作剛體，即不需要用勢(shì)函數(shù)來(lái)描述C原子之間的相互作用力。多晶銅基體采用Voronoi-tesselation方法[17]生成，由許多相同晶粒尺寸的單晶銅晶粒組成，其平均晶粒尺寸G分別為12 nm、10 nm、9 nm、8 nm、7 nm和6 nm，組成多晶銅的各單晶銅晶粒取向?yàn)殡S機(jī)取向。在模擬過(guò)程中多晶銅基體會(huì)發(fā)生彈塑性變形。將多晶體基體自上而下依次分為三個(gè)部分，依次為牛頓層、恒溫層和固定層，其中基體的彈塑性變形將發(fā)生在牛頓層。圖1中，hmax為壓頭在模擬過(guò)程中將要下壓的最大壓深，壓入方向豎直向下。金剛石壓頭與多晶銅基體在正式模擬前的初始間距為1 nm，此距離保證了在模擬開(kāi)始前壓頭中的C原子與基體表層的Cu原子之間無(wú)相互作用力。

圖1 金剛石壓頭與多晶銅基體的分子動(dòng)力學(xué)接觸模型XY平面示意圖Fig.1 Molecular dynamics contact model of diamond indenter and polycrystalline copper matrix schematic diagram of XY plane

勢(shì)函數(shù)影響著模擬的精度，決定著模擬結(jié)果的可靠性。由于物質(zhì)的原子和分子構(gòu)造不同，造成原子間的相互作用類(lèi)型不同，因此必須采用不同類(lèi)型的原子間相互作用勢(shì)。金剛石立方晶體結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)a為0.357 nm，模擬過(guò)程中忽略C—C原子之間的相互作用。多晶銅的組成晶粒為面心立方(face center cubic，F(xiàn)CC)晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a為0.3615 nm，對(duì)Cu—Cu原子之間的相互作用力采用EAM勢(shì)函數(shù)[18]進(jìn)行描述。EAM勢(shì)是一種多體勢(shì)，能夠較好地描述金屬晶體的結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)特性，在金屬體系的分子動(dòng)力學(xué)模擬中應(yīng)用廣泛。C—Cu原子之間的相互作用力采用Morse勢(shì)函數(shù)[19]進(jìn)行描述。Morse勢(shì)是一種對(duì)偶勢(shì)，適用于表征不同原子間的相互作用力，廣泛應(yīng)用于金剛石與金屬原子間相互作用力的描述。Morse勢(shì)函數(shù)表達(dá)式中包含3個(gè)可調(diào)參數(shù)，參數(shù)值的設(shè)置參考了已有相關(guān)研究報(bào)道[20-24]，分別為D=0.087 eV，α=51.4 nm-1，r0=0.205 nm，其中D為結(jié)合能系數(shù)，α為勢(shì)能曲線梯度系數(shù)，r0為原子間作用力為0時(shí)的平衡態(tài)原子間距。多晶銅基體的X、Y、Z軸的晶向分別取[100]、[001]和[010]。在模擬系統(tǒng)的X、Z方向上均選取周期性邊界條件以消除尺寸效應(yīng)，在Y方向上選取自由邊界條件。在模擬過(guò)程中，固定層原子的位移與受力在每個(gè)時(shí)間步上均不更新；對(duì)屬于恒溫層原子的信息采用Nose-Hoover熱浴耦合算法[25]進(jìn)行控制，可使得恒溫層的溫度在模擬期間保持為設(shè)定值；對(duì)牛頓層的原子采用Verlet算法[26]進(jìn)行牛頓運(yùn)動(dòng)方程的求解并更新每時(shí)刻原子的位置與速度。模擬的時(shí)間步長(zhǎng)取值為1 fs。

本文模擬在常溫下的接觸行為，正式模擬開(kāi)始之前，先使系統(tǒng)經(jīng)歷弛豫過(guò)程，采用Berendsen熱浴耦合算法[27]將體系加熱至模擬溫度300 K，弛豫過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢(shì)表明，30 ps的總弛豫時(shí)間可使得體系的溫度和總能量達(dá)到充分穩(wěn)定的狀態(tài)。模擬開(kāi)始時(shí)，對(duì)金剛石壓頭施加位移載荷，研究結(jié)果表明，加載的速度對(duì)仿真的結(jié)果影響不大[28]，因此使壓頭沿著Y軸負(fù)方向以100 m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)，并逐漸壓入多晶銅基體，最大壓深為2 nm，基體在此下壓速度及壓深下可達(dá)到一定的塑性變形量。在達(dá)到最大壓深后，對(duì)金剛石壓頭施加反向且相同大小的位移載荷，使其逐漸與基體脫離接觸并勻速回到初始位置。模擬過(guò)程中記錄多晶銅基體對(duì)金剛石壓頭施加的法向載荷F。本文的模擬過(guò)程采用開(kāi)源分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS完成。

1.2 壓痕功法

圖2 典型加載-卸載曲線Fig.2 Typical loading-unloading curve

如圖2所示，壓痕功法[29]認(rèn)為表面壓痕的形成過(guò)程是能量消耗或做功的過(guò)程。

在接觸過(guò)程中，加載曲線對(duì)X軸進(jìn)行積分得到的面積是壓頭做的總功Wt，在分離過(guò)程中，卸載曲線對(duì)X軸進(jìn)行積分得到的面積是彈性功We，二者之間的差值就是塑性功Wp，可表示為

Wp=Wt-We

(1)

其中，總功Wt和彈性功We可分別表示為

(2)

(3)

式中，h為壓頭下壓的位移；Fload(h)表示加載曲線；Funload(h)表示卸載曲線。

納米硬度Hp定義為

(4)

式中，F(xiàn)max為接觸過(guò)程中壓頭受到的最大法向接觸力；k為與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，在本模擬中取k=0.0408。

1.3 彈性接觸剛度

由圖2可以看出，隨著壓入深度的不斷增大，壓頭受到的法向接觸力也隨之不斷增大，當(dāng)壓入深度到達(dá)設(shè)定值后壓頭停止下壓。在完全脫離接觸后，基體壓深會(huì)回到一個(gè)固定值，將此時(shí)的深度稱(chēng)為殘余深度hf，即壓頭在材料表面上留下的永久塑性變形。在卸載曲線頂端的起始點(diǎn)處作一條切線，將該切線的斜率稱(chēng)為接觸剛度S。

采用如下冪函數(shù)來(lái)擬合卸載曲線頂端部分：

Funload(h)=β(h-hf)m

(5)

其中，β、m為卸載曲線的擬合參數(shù)。則接觸剛度S的計(jì)算公式為

S=βm(hmax-hf)m-1

(6)

1.4 Hertz接觸理論計(jì)算

在不考慮表面黏著力存在的情況下，Hertz接觸理論給出了壓頭與基體彈性接觸時(shí)法向載荷F、壓頭半徑R、壓入深度h之間的函數(shù)關(guān)系式：

(7)

(8)

式中，E*為復(fù)合彈性模量；Es、Ei分別為基體和壓頭的彈性模量；υs、υi分別為基體和壓頭的泊松比。

本模擬中，半球形金剛石壓頭與多晶銅基體的彈性模量和泊松比參數(shù)分別取值為：Ei=1141 GPa，Es=115 GPa；υi=0.07，υs=0.25。

2 結(jié)果與討論

2.1 法向接觸力的變化

圖3為不同晶粒尺寸G下法向接觸力隨壓頭下壓位移的變化曲線，其中黑色和藍(lán)色曲線分別為由分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬得到的金剛石壓頭所受到的多晶銅基體在接觸和分離過(guò)程中施加的法向接觸力，紅色曲線為接觸過(guò)程中由Hertz理論擬合得到的法向接觸力。由圖3可以看出，載荷-位移曲線呈現(xiàn)波動(dòng)的狀態(tài)，載荷的波動(dòng)與基體銅的晶格變形、晶格重構(gòu)還有材料的非晶相變有密切的關(guān)系。

圖3a～圖3f中的A點(diǎn)代表壓頭即將開(kāi)始?jí)喝攵嗑с~基體的臨界點(diǎn)?？梢钥闯鲈诓煌Я３叽鐥l件下，壓頭未壓入基體前均出現(xiàn)了數(shù)值很小的負(fù)方向的力，這表明此時(shí)金剛石壓頭與多晶銅基體原子之間的吸引力起主要作用。文獻(xiàn)[30]指出：基體會(huì)因?yàn)橐^(guò)大而引起基體表面部分原子發(fā)生納米尺度接觸所特有的“突跳”現(xiàn)象。當(dāng)兩表面靜止接觸或兩表面間隙處于納米量級(jí)時(shí)，由于黏著力的作用，使得兩表面黏附而不易分離。如圖4所示，不同晶粒尺寸條件下金剛石壓頭所受到的最大黏著力基本不變。這是因?yàn)轲ぶΦ拇笮≈饕c表面能有關(guān)，相同的壓頭尺寸使得壓頭所接觸的表面積相同，所以最大黏著力的變化基本不大。

(a)G=12 nm (b)G=10 nm (c)G=9 nm

圖4 最大黏著力隨晶粒尺寸的變化曲線Fig.4 Variation curve of maximum adhesion force with grain size

隨著壓頭逐漸壓入基體，金剛石壓頭受到的多晶銅基體施加的法向接觸力逐漸增大。值得注意的是，無(wú)論何種多晶銅晶粒尺寸的條件下，在圖3a～圖3f中B點(diǎn)之前，由MD模擬得到的法向接觸力要比Hertz理論擬合得到的法向接觸力大。這是因?yàn)樵趬荷詈苄r(shí)，基體處于彈性變形階段，Hertz理論的適用對(duì)象是表面光滑的彈性變形體，接觸過(guò)程連續(xù)且無(wú)摩擦，不存在相對(duì)滑動(dòng)，可忽略黏著力和表面力的存在，而MD模擬在原子尺度下包含了上述因素。當(dāng)壓深逐漸增大且超過(guò)B點(diǎn)處壓深后，基體逐漸開(kāi)始由彈性變形過(guò)渡到塑性變形，Hertz理論忽略了塑性變形的影響，僅適用于彈性形變，從而使得MD模擬的法向接觸力比Hertz理論擬合的法向接觸力小。

(9)

表1 不同晶粒尺寸條件下由MD模擬計(jì)算得到的復(fù)合彈性模量Tab.1 The composite elastic modulus calculated by MD simulation under different grain size conditions

圖5 最大法向接觸力隨晶粒尺寸的變化曲線Fig.5 Variation curve of maximum normal contact force with grain size

圖3a～圖3f中的C點(diǎn)處的法向接觸力為MD模擬得到的不同晶粒尺寸條件下半球形金剛石壓頭受到的多晶銅基體施加的最大法向接觸力。根據(jù)圖5中的曲線可以看出，當(dāng)晶粒尺寸大于10 nm時(shí)，隨晶粒尺寸的減小，壓頭受到基體施加的最大法向接觸力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表現(xiàn)出細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)(即霍爾-佩奇現(xiàn)象)；而當(dāng)晶粒尺寸小于10 nm時(shí)，最大法向接觸力隨晶粒尺寸的減小呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，顯示出明顯的反霍爾-佩奇現(xiàn)象。這是因?yàn)榛魻?佩奇公式是根據(jù)位錯(cuò)塞積的強(qiáng)化作用而提出的，當(dāng)晶粒尺寸為納米級(jí)時(shí)(小于10 nm)，晶粒中可存在的位錯(cuò)極少，故霍爾-佩奇公式就不再適用。

當(dāng)壓頭壓入基體達(dá)到最大壓深時(shí)，對(duì)壓頭施加反向且相同大小的位移載荷，壓頭與基體隨即進(jìn)入分離階段。由圖3a～圖3f可以看出，不同晶粒尺寸條件下，壓頭與基體開(kāi)始分離時(shí)法向接觸力迅速減小，當(dāng)壓深回復(fù)到1.5 nm左右時(shí)，壓頭受到的法向接觸力均出現(xiàn)負(fù)值的情況，這是由于卸載過(guò)程中多晶銅基體的原子與金剛石壓頭原子之間的吸附作用導(dǎo)致的。隨著壓頭的上升吸附效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，最終壓頭原子會(huì)離開(kāi)基體原子的作用范圍，即壓頭不再受力。

2.2 接觸過(guò)程的能量分析

圖6所示為根據(jù)壓痕功法計(jì)算得到的不同晶粒尺寸條件下壓頭與基體接觸以及分離過(guò)程中體系能量的變化情況?？梢悦黠@看出，在模擬過(guò)程中，體系的總能量Wt、彈性能We以及塑性能Wp均與圖5所示的壓頭受到基體施加的最大法向接觸力的變化趨勢(shì)一致，即表現(xiàn)出先增大而后又減小的變化趨勢(shì)。

圖6 不同晶粒尺寸條件下總能量、彈性能、塑性能的對(duì)比Fig.6 Comparison of total energy，elastic energy，and plastic energy under different grain sizes

殘余深度hf的大小可反映壓頭在接觸過(guò)程中基體塑性變形的程度以及分離過(guò)程中彈性回復(fù)量的大小。采用Alpha-shape算法[31]對(duì)卸載后的多晶銅基體表面形貌進(jìn)行擬合，得到分離接觸后的基體表面形貌，如圖7所示。

(a)G=12 nm (b)G=10 nm

通過(guò)式(4)和式(6)計(jì)算得到的不同晶粒尺寸下多晶銅的納米硬度以及接觸剛度見(jiàn)表 2。由表 2可知，當(dāng)某一晶粒尺寸條件下的殘余深度hf相對(duì)越大，則該晶粒尺寸對(duì)應(yīng)的多晶銅的納米硬度Hp相對(duì)較小，接觸剛度S相對(duì)較大。

表2 不同晶粒尺寸條件下殘余深度、納米硬度、接觸剛度計(jì)算值Tab.2 Calculated values of residual depth，nano-hardness，and contact stiffness under different grain size conditions

接觸剛度S是表征材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。由圖8a和圖8b可以看出，隨著晶粒尺寸的變化，接觸剛度S與彈性能We成負(fù)相關(guān)。這是由于彈性能We是基體在彈性變形中所儲(chǔ)存的能量，彈性能越大，表明彈性變形量越大，材料抵抗彈性變形的能力越弱，接觸剛度越低。納米硬度Hp反映了材料抵抗局部塑性變形的能力。從塑性變形的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)的產(chǎn)生及滑移是出現(xiàn)塑性變形的主要原因。塑性能Wp表示在外載作用下晶格畸變以及位錯(cuò)滑移所產(chǎn)生的所有畸變能之和。然而，當(dāng)晶粒尺寸為納米級(jí)(小于10 nm)時(shí)，晶粒中可存在的位錯(cuò)極少，位錯(cuò)塞積強(qiáng)化效應(yīng)不再適用，因此導(dǎo)致納米硬度Hp與塑性能Wp成正相關(guān)，如圖8c和圖8d所示。綜合圖8b與圖8d可知，納米硬度Hp與接觸剛度S的變化總體成負(fù)相關(guān)。當(dāng)晶粒尺寸為納米級(jí)時(shí)，納米硬度越小，接觸剛度越大。

(a)彈性能隨晶體尺寸變化情況 (b)接觸剛度隨晶粒尺寸變化情況

2.3 多晶銅亞表面變形機(jī)理

為研究多晶銅基體在接觸過(guò)程中的彈塑性變形過(guò)程，采用公共近鄰分析(common neighbor analysis,CNA)方法分析了多晶銅基體在與金剛石壓頭彈塑性接觸過(guò)程中位錯(cuò)的形核以及擴(kuò)散規(guī)律。圖9所示為不同晶粒尺寸條件下各多晶銅基體的彈塑性變化過(guò)程，從左至右依次為金剛石壓頭壓入多晶銅基體的深度h=0、0.3 nm、0.5 nm、1.0 nm、1.5 nm和2.0 nm時(shí)基體的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)形貌。圖中的深藍(lán)色原子代表晶界原子，淺藍(lán)色原子代表具有正常FCC晶體結(jié)構(gòu)的銅原子，綠色原子代表位錯(cuò)原子，橙色原子代表其他缺陷原子。由圖9可以看出，隨著壓頭與基體逐漸開(kāi)始接觸，當(dāng)壓頭壓入基體的深度h=0.3 nm時(shí)，基體上靠近壓頭正下方的部分區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)位錯(cuò)形核，如圖9中紅色箭頭所示；并且隨著壓頭的持續(xù)壓入，基體內(nèi)萌生的位錯(cuò)開(kāi)始沿著晶粒的{111}滑移系滑移擴(kuò)散。當(dāng)壓入深度較小時(shí)，位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)會(huì)受到晶界的阻礙，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)到晶界的位錯(cuò)會(huì)被晶界吸收，如圖9中黃色箭頭所示；當(dāng)壓入深度逐漸增大時(shí)，部分晶界位置會(huì)不斷地累積內(nèi)應(yīng)力以及原子勢(shì)能，而當(dāng)累積到一定程度時(shí)，部分位錯(cuò)會(huì)在晶界附近形核并穿過(guò)晶界繼續(xù)滑移擴(kuò)散，從而使得塑性變形過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，如圖9中粉色箭頭所示。

(a)G=12 nm

由圖9還可以看出，較小晶粒尺寸的多晶銅擁有數(shù)量較多的晶界，由于晶界具有較大的彈性應(yīng)變能，因此位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)被約束在壓頭周?chē)娜舾删ЯＶ?，?dǎo)致較小晶粒尺寸的多晶銅的位錯(cuò)分布范圍較小，產(chǎn)生的位錯(cuò)較少。由此導(dǎo)致位錯(cuò)塞積強(qiáng)化效應(yīng)的不適用，使得具有較小晶粒尺寸(小于10 nm)的多晶銅材料的納米硬度相對(duì)較低、接觸剛度相對(duì)較大。

3 結(jié)論

(1)不同晶粒尺寸下，多晶銅黏著接觸過(guò)程中，最大黏著力基本保持不變。最大法向接觸力隨晶粒尺寸的減小表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。

(2)納米硬度和接觸剛度分別與接觸與分離過(guò)程中的塑性能和彈性能的變化相關(guān)，且納米硬度與接觸剛度變化總體成負(fù)相關(guān)。

(3)晶粒尺寸越小的多晶銅擁有數(shù)量相對(duì)更多的晶界，晶界數(shù)量會(huì)對(duì)材料的納米硬度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其接觸力學(xué)特性。