数值模拟在纳米压痕技术中的重要意义

数值模拟在纳米压痕技术中的重要意义

贵所-材料学 李泽丽-20121005

纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的广泛关注，例如高的强度、硬度、耐磨性、延展性以及低温超塑性等。纳米材料之所以表现出这些特殊的性能与材料内部结构和变形机制密切相关。

纳米压痕技术是一种相对简单有效地评估薄膜材料力学性能的方法，通过纳米压痕实验不仅可以获得材料的相关性能参量，而且能够反映材料弹塑性转变的机制，揭示微观组织结构与宏观力学性能的关系。然而，纳米压痕是一个复杂的接触问题，进行纳米压痕试验时受到诸多因素的影响，例如材料表面粗糙度，衬底效应，晶界效应，压头几何形状，晶格各项异性和压痕尺寸效应等，即便是在相同的设备和试验条件下纳米压痕试验过程的重复性也不能得到保证，因此需要采用数值模拟方法对纳米压痕过程进行研究。

计算机数值模拟是独立于理论分析和实验研究的第三种手段，是沟通理论和实验的桥梁。与实验研究相比，数值模拟可实现在实验上很难或根本无法完成的研究；与理论研究相比，数值模拟无需过于简化的假设，能够接近实际的复杂情况，获得实验无法测量的结果，并深入揭示它们的内在行为机制。目前，研究材料纳米压痕的常用数值模拟方法主要有三种:有限元 (Finiteelementmethod，FEM)模拟，分子动力学 (Moleeulardynamies，MD)模拟以及多尺度(Multi sealemethod)模拟。

有限元 (FEM)方法常用于薄膜/基体组合体系的纳米压痕试验数值模拟。然而，在研究微/纳观尺度的缺陷行为时，如位错芯的原子结构、位错动力学、晶界结构、晶界与位错的相互作用、裂纹尖端的晶格结构以及裂纹尖端的位错发射等方面，采用建立在传统连续介质力学基础上的理论来解释会出现一些问题。因为在微/纳米尺度下晶体是由大量的原子有序的排列而成的，材料的强度来源于原子间的相互作用，塑性来源于原子间的相互运动，其本质均是原子的离散特性。因此，直接从原子尺度对材料的微/纳观力学行为进行研究显得非常必要。

分子动力学(MD)方法是一种重要的原子尺度计算机模拟手段，能够提供材料

变形过程中原子运动的细节，深入揭示其复杂的机制，发现本质上崭新的现象。它的基本原理是:建立一个粒子系统来模拟所研究的对象，系统中各粒子间的相互作用根据量子力学来确定，对于符合经典牛顿力学规律的大量子系统，通过粒子动力学方程组的数值求解，决定各粒子在相空间的运动规律和轨迹，然后按照统计物理原理得出该系统相应的宏观物理性质和力学性质。1957年Alder和Waight首次采用分子动力学成功解决了硬球模型系统的固液相变问题，初步展现了分子动力学处理多体问题的强大能力。此后，分子动力学方法以其强大的处理多体问题的能力，逐步扩展应用于不同的领域。尽管分子动力学方法是目前常用的一种非常有效的原子模拟技术，但是该方法仍然存在一些局限性，主要表现为模拟时间短和模拟系统尺寸小两个方面。

采用多尺度准连续介质法对薄膜材料纳米压痕过程进行模拟可以深入研究纳米压痕过程中材料的微观破坏过程和弹塑性转变的机制，探讨材料初始表面缺陷、晶格各向异性、压头尺寸、层间界面以及界面结构对纳米压痕过程的影响。 目前并行计算机能够模拟的粒子数目最多为千万量级，模型尺寸远未达到微米量级；模拟时间最多只有纳秒量级，但许多实际物理过程需要达到秒或更长的由于纳米力学理论的尚不完善缺乏学科的系统性和纳米力学实验的难度以及结果的分散性，随着计算机硬件水平的飞速发展、原子间作用势函数被精确地描述、新的高效率算法层出不穷，使得计算机数值模拟成为纳米力学的重要研究手段。

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