金属薄膜缺陷的多尺度分析

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采用多尺度方法研究了金属薄膜-基体结构中缺陷在冲击载荷下的变化规律和力学行为。多尺度方法结合了分子动力学和有限元方法。纳米薄膜中的局部缺陷区域采用分子动力学方法,膜-基结构采用有限元方法,微/观宏观尺度之间的握手区域采用FEAt方法连接。仿真计算不仅包括系统宏观尺度上的模型位移场和应力场,还包括微观尺度上的原子位置坐标和缺陷附近原子结构的变化。仿真结果表明,在冲击载荷作用下,冲击波通过基体传递到油膜上;宏观上表现为膜-基结构应力的变化;在微观下,缺陷附近的原子溅射。可以看出,由于冲击作用产生的应力集中和缺陷处原子溅射导致膜-基结构中的微缺陷进一步扩展,导致薄膜失效。

金属薄膜

随着镀膜工艺的发展,金属薄膜的厚度已由数微米发展到数纳米的超薄膜,它兼具传统复合材料和现代纳米材料二者的优越性。纳米薄膜可以改善一些机械零部件的表面性能,以减少振动,降低噪声,减小摩擦,延长寿命。但此类金属薄膜在制备过程中,经常会产生一些微裂纹,认为这使得薄膜的力学性能受到极大的影响。近年来,在单一尺度下的金属薄膜上的微裂纹研究,已引起了研究人员的一定关注;但对于多尺度下的金属薄膜缺陷鲜有研究。为此,文中应用多尺度方法对带有表面缺陷的膜-基结构进行模拟研究,旨在多角度地揭示金属薄膜失效机理。

1、多尺度仿真基本原理

对于多尺度问题,在原子区及连续介质区的计算方法都已相对成熟,主要难题集中在如何处理原子模型和连续介质的握手区上,文中采用FEAt 方法对握手区进行仿真。在FEAt 方法中,整个模型划分成1、2、3、4 四个部分,如图1 所示。

金属薄膜

图1 多尺度区域划分

2、多尺度模拟计算

2.1、多尺度模型建立

在不锈钢基体上镀100 nm 厚铜膜,膜-基结构材料常数见表1,薄膜表面带有宽10 nm,深50 nm表面微裂纹。建立多尺度模型如图2 所示: 整个模型分为有限元区( 基体部分) 、握手区( 薄膜和基体结合部分) 、分子动力学区( 薄膜部分) 。细划握手区有限单元体长度,实现节点与原子一一对应,即有限单元体的长度等于原子晶格常数。

表1 膜-基结构材料常数

金属薄膜

图2 多尺度模型

2.2、模拟计算过程

对基体左右两端施加UY 约束,底面加载10 kN外力冲击,作用时间为1.0 10 -8 s;有限元模拟与分子动力学模拟时间步长比为1∶ 1000;在握手区,有限元模拟计算求得位移增量加权平均,其值代入到应用FEAt 方法自编程序中,求得分子动力学边界条件( 即边界原子以1000 m/s 向薄膜内部冲击) 。

以上通过有限元软件、分子动力学软件结合多尺度分析方法对带有表面微裂纹的金属膜-基结构进行分析,得出如下结论:

(1) 应用有限元软件对不锈钢基体部分宏观应力分析,可见基体宏观应力由下自上,由两边向中间传递;并随着载荷时间的增加,微裂纹尖端出现应力集中。

(2) 通过宏观应力云图可见薄膜与基体之间应力变化不连续,以至薄膜在冲击作用下有脱落可能。

(3)  在微观尺度上,X、y和Z方向的原子平均应力呈波动性变化;同时,在冲击下,原子被压缩,微裂纹尖端出现空位;空位逐渐增加并向外移动,导致一些原子溅射,最终微裂纹扩展。

 

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