2.1.問題描述

納米壓痕是確定金屬材料特性的最廣泛使用的方法之一。分子動力學（MD）模擬是一種強大的工具，可以研究納米壓痕過程中原子尺度上的材料行為，并深入了解材料的塑性變形。本工作采用單晶鋁作為原材料，旨在為使用MD設計納米壓痕模擬提供指導。

2.2.模型描述

對單晶鋁納米壓痕的分子動力學模擬通過原子/分子大規模并行模擬器(LAMMPS)實現，模擬結果采用OVITO進行可視化和晶體結構缺陷分析，位錯運動由位錯提取分析方法（Dislocation extraction analysis，DXA）進行表征。圖1為FCC單晶鋁納米壓痕的分子動力學模擬模型，該模型由面心立方的單晶鋁樣品和半徑分別為40?的虛擬壓頭組成。樣品尺寸約為400 ?×400 ?×200 ?，包含1881600個原子，晶體取向為X-[100]、Y-[010]和Z-[001]。如圖1所示，樣品分為邊界層、恒溫層和牛頓層三層，分別用黃色、深藍色和淺藍色著色。納米拋光過程中，模型采用恒體積恒能量（NVE）系綜調控體系狀態。底部邊界層固定以確保樣品的穩定性，恒溫層對模擬過程中產生的熱量進行耗散來保持溫度恒定在300 K，牛頓層原子的運動服從經典的牛頓第二定律。在Z方向上設置了非周期性邊界條件，而在X和Y方向上設置了周期性邊界條件以消除邊界效應。納米壓痕的模擬過程分別以50 m/s的速度在(001)面上進行壓入，并以相同速度卸載，其中壓痕深度為40 ?。

圖2.1: 單晶鋁納米壓痕模型示意圖

2.3結果整理與分析

圖2-2顯示了使用MD模擬獲得的單晶鋁的壓痕深度-力曲線。Oliver和Pharr開發的公式被用來獲得楊氏模量。

其中 S 是壓痕曲線最大深度處切線的斜率，A 是壓痕在接觸深度hc處的投影面積，由于虛擬壓頭被視為剛體，因此折合的模量等于基體模量。此外，假設接觸深度和殘余深度之間的差異可以忽略不計。硬度定義為最大載荷除以殘余壓痕面積。通過圖2-2可以得出，單晶鋁的楊氏模量為8.77GPa，硬度為3.34GPa。

圖2.2: 壓痕-力曲線

納米壓痕過程中位錯結構的發展錯綜復雜，在這個過程可以發現各種位錯反應。壓頭在材料表面引起缺陷，其中位錯成核并形成剪切回路。FCC材料中的邊緣位錯通常分為多個部分，兩個部分的中間有一個堆疊故障平面。當壓頭更深地壓入材料時，位錯從壓頭滑出并形成棱柱形環。如圖2.3所示，當壓頭壓入深度為20 ?時還未形成棱柱形位錯環；進一步壓入到25 ?時，壓頭右下方形成一個棱柱形位錯環，壓入到30 ?時，棱柱環向下運動，壓頭下方出現了三個并排的棱柱形位錯環；繼續壓入到40 ?時，三個并排的棱柱形位錯環在基體內部停止移動，并保持在距離基體表面155 ?處。

圖2.3: 位錯的形成和位錯環的運動

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