納米壓痕的案例
利用lammps模擬不同壓頭半徑對單晶鋁納米壓痕的影響
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。
展開 單晶納米壓痕晶體塑性模擬案例
納米壓痕，也稱為儀器化壓痕試驗，是一種適用于小體積壓痕硬度試驗的品種。壓痕也許是測試材料力學性能最常用的方法
在傳統的壓痕試驗（宏觀或微觀壓痕）中，將機械性能已知的硬尖端（通常由金剛石等非常堅硬的材料制成）壓入性能未知的樣品中。隨著壓頭尖端進一步深入試樣，壓頭尖端上的載荷增加，很快達到用戶定義的值。此時，負載可能會保持恒定一段時間或被移除。測量樣品中殘余壓痕的面積，硬度表示為，載荷與面積的比值（誤差較大）
納米壓痕通過在納米尺度上以非常精確的尖端形狀、高空間分辨率進行壓痕，以及在壓痕過程中提供實時載荷位移（進入表面）數據，改進了這些宏觀和微觀壓痕測試。
在納米壓痕中，使用了較小的載荷和尖端尺寸，因此壓痕面積可能僅為幾平方微米甚至納米。這在確定硬度方面存在問題，因為接觸面積不容易找到。原子力顯微鏡或掃描電子顯微鏡技術可以用來成像壓痕，但可能相當麻煩。取而代之的是，使用具有高精度幾何形狀的壓頭（通常是具有三邊金字塔幾何形狀的Berkovich尖端）。在儀器壓痕過程中，記錄穿透深度，然后使用已知壓痕尖端幾何形狀確定壓痕面積。壓痕時，可以測量各種參數，例如載荷和穿透深度?？梢栽趫D表上繪制這些值的記錄，典型的載荷-位移曲線（如圖所示）。這些曲線可用于提取材料的機械性能
而在數值表征中，目前最受歡迎的數值方法就是晶體塑性有限元方法
因此結合晶體塑性有限元方法和納米壓痕試樣可以很容易模擬不同初始取向的單晶納米壓痕過程的力學響應，分析晶體取向效應。
展開 雙晶納米壓痕的多尺度位錯動力學模擬研究
納米壓痕是研究材料在微納米尺度下力學響應的有效手段，通過納米壓痕可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服強度和硬化指數等重要力學參量。晶界在金屬材料的塑性變形機理及其力學性能中扮演著重要角色，尤其是對于小尺度材料。雙晶納米壓痕是研究晶界對材料力學行為影響的重要手段之一。目前實驗手段難以獲取材料在壓痕過程中位錯結構的演化信息，而多尺度位錯動力學模擬可以有效地獲取和分析材料在塑性變形過程中位錯的演化特征，適用于研究納米壓痕這種與位錯等微結構密切相關的力學實驗。目前多尺度位錯動力學壓痕模擬主要集中在二維模型上，三維單晶模型較少，而三維雙晶模型還未見報道。
近日，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國埃爾朗根-紐倫堡大學Michael Zaiser教授（西南交通大學“海外名師項目”專家）合作開展研究，論文第一作者碩士研究生陸宋江通過在三維單晶多尺度框架的基礎上引入可穿透晶界模型開展雙晶納米壓痕模擬，研究位錯與晶界的交互作用機理及晶界對壓痕響應的影響，建立了基于位錯塞積理論的壓痕尺寸依賴性模型，并從位錯結構演化信息分析了相關雙晶壓痕響應的內在機理。相關研究成果已在線發表在材料力學領域頂級期刊《Journal of the Mechanicsand Physics of Solids》（力學小區1區，IF=3.566）。
論文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618308950
傳統離散位錯動力學很難處理壓痕等復雜的邊界條件問題，而通過離散位錯動力學（DDD）與有限元耦合的多尺度方法是解決這一難題的有效途徑。因此，該研究采用多尺度位錯動力學框架來模擬壓痕問題。
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建模分析流程：
用WB建立FEM幾何模型，用APD前處理，用LSPP進行femsph轉化，生成SPH粒子，進行虛粒子約束等便捷處理，定義接觸設置求解時間，定義裂紋損傷的輸出等，最后用UE軟件對K文件進行查看，替換硬脆材料的JH-2本構模型，檢查K文件正確性等。用LSDYNA對K文件求解，用LSPP查看結果，用ORIGIN對數據結果進行處理。
結果展示：
納米力學表征3D打印鈦及鈦鋁合金的應用
南極熊3D打印網獲悉，近期，加拿大多倫多大學材料系鄒宇教授課題組（https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/）與北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室合作采用高速納米壓痕技術（1個壓痕/約1秒）對3D打印雙相鈦合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料進行了高通量力學表征 （硬度H和彈性模量E）[1] [2]。圖1是3D打印示意圖和納米壓痕實驗圖。另外，兩個課題組對于近期增材制造鈦合金的文獻也做了綜述總結[3].相關工作如下:
論文鏈接:
【1】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6
【2】https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0925838821013554
【3】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6
△圖1. (a) 激光增材制造制備TA15鈦合金示意圖。(b) 納米壓痕儀Berkovich 壓頭SEM圖片。(c) 鈦合金α 和β相BSE圖片(帶壓痕)
雙相TA15 鈦合金的納米壓痕實驗表明：（1）高速高通量納米壓痕技術是一種有效的表征具有復雜微觀結構的多相合金H和E分布的方法。其空間分辨率可以達到亞微米范圍（?300-500 nm）。（2）H和E分布圖可以清楚的定量同一個樣品hcpα相的力學各向異性。（3）熱處理作為3D打印材料重要的后處理手段，此方法可準確表征熱處理過程中元素的再分布對α和β相力學性能的影響。高溫熱處理隨爐冷卻后，Al從β相擴散到相鄰的α相，而Mo和V沿相反方向擴散。
展開 晶體塑性每日文章推薦（八）
文章名稱：《Multi-scale simulation of nanoindentation on cast Inconel 718 and NbC precipitate for mechanical properties prediction》
doi：10.1016/j.msea.2016.03.081
推薦理由：作者使用宏觀拉伸實驗和RVE方法確定了in718基體的晶體塑性參數，使用第一性原理確定了NbC的彈性屬性和屈服應力，并根據對應的參數分別模擬了基體和NbC夾雜的納米壓痕結果，其中關于納米壓痕的實驗和仿真介紹十分詳細，提出的多尺度分析思路對于夾雜物力學性能的確定很有啟發意義。
理論部分
硬化方程（位錯密度模型）：
流動方程（唯象冪律流動）：
in718材料參數確定（代表性體積元方法）
NbC力學性能確定基于第一性原理
確定其彈性參數為：
并基于Voigt-Reuss-Hill (VRH) 均勻化方案確定體積模量剪切模量以及楊氏模量，泊松比
Voigt 和 Reuss bounds：
由此確定楊氏模量和泊松比：
NbC對應的力學性能為：
根據得到NbC的硬度以及硬度和屈服應力的關系，得到NbC的屈服強度，在后續分析時認為NbC為理想彈塑性材料，根據標定的本構參數分別模擬了基體和NbC對應的納米壓痕結果：
其研究結果表明
基于第一性原理計算得到的彈性性能與納米壓痕實驗具有良好的一致性
晶體取向對荷載-位移曲線的影響有限，但對堆積形態的影響較大。峰值負荷只有1.2%的變化
另外該作者提出的CPFE模擬與第一性原理研究相結合的解決方案顯示出研究多晶材料和沉淀物力學性能的巨大潛力。
展開 沈陽工大《JMST》：提升鋯基大塊金屬玻璃的塑性！
圖
4 (a)應力應變速率隨蠕變時間的變化；(b)在蠕變過程中的壓痕應力和應變率之間關系；(c)蠕變曲線穩態部分的線性擬合估算應變率敏感性
本文探討了氫化作用改變Zr基大塊非晶納米壓痕內部流動單元的機理。
Nat. Commun.: 空間不均勻性作為結構特性表征金屬玻璃的結構-性能相關性
該工作報道了納米尺度空間不均勻性是金屬玻璃固有的結構特征，和強度及形變行為有著本征關聯。金屬玻璃的強度和楊氏模量可以通過空間不均勻性特征長度倒數的平方根來定義。此外，時間相關的應變弛豫的拉伸指數也可以通過特征長度來定量描述。該研究有力證明了空間不均勻性可作為描繪金屬玻璃力學性能的結構參量。
【圖文導讀】
圖1：不同熱力學狀態下金屬玻璃的空間不均勻性。
(a)超制備的超快淬樣品和553K下分別退火5min（中度弛豫）和720min（高度弛豫）的樣品；
(b) 超快淬金屬玻璃樣品的HRTEM圖像，內插圖是對應的選取電子衍射圖像；
(c) 超快淬樣品的HADDF-STEM圖像；
(d) 中度弛豫樣品的HADDF-STEM圖像；
(e) 高度弛豫樣品的HADDF-STEM圖像。
圖2：納米壓痕儀測得的力學性能。
(a) 超快淬樣品、中度弛豫樣品和高度弛豫樣品的納米壓痕力-深度曲線；
(b) 納米壓痕硬度和模量與空間不均勻性特征長度的圖像；
(c) 超快淬樣品的硬度計壓頭圖像；
(d) 高度弛豫樣品的硬度計壓頭圖像。
圖3：微米柱壓縮測試。
(a) 超快淬微米柱和高度弛豫微米柱樣品經非軸向壓縮的工程應力應變曲線；
(b) 超快淬微米柱形變后的形貌；
(c) 高度弛豫微米柱形變后的形貌.
圖4：應變弛豫測量。
展開 隆源成型將攜梯度金屬3D打印設備AFS-M120X亮相Formnext
Coury等人[3]選取Fe50Mn50和Co50Ni50合金以及純Cr三種組元制備連續梯度材料，結果表明，使用高通量納米壓痕的方法可以快速檢測屈服強度，將成分預測和納米壓痕高通量實驗相結合，可大大減少實驗數量。
FGM發展現狀
目前，缺乏合適的制造技術是限制FGM發展的主要瓶頸。增材制造作為一種高自由度的近凈成形技術，逐漸成為FGM研究和制造的理想手段。首先被采納的是激光直接沉積技術（Direct Energy Deposition, DED）通過改變供料配比實現從成分A到成分B的梯度過渡，但該方法只適用于大尺寸簡單結構的多材料零件制備。另一方面，具有更高精度的選區激光熔化技術（Selective Laser Melting, SLM）讓高精度FGM制備成為可能。
近期，曼徹斯特大學的Lin Li團隊發表了關于SLM和LIFT技術實現梯度功能材料從微觀到宏觀制備的科研成果，文章指出：“基于SLM的梯度功能材料打印具有更高的靈活性和更大的應用潛力?！比劭萍佳邪l總監趙浩博士認為：“基于SLM的FGM打印是‘材料基因組計劃’中的一種高效的高通量材料制備及材料篩選方式，即材料篩選模式從‘逐一（1-by-1）’變為‘逐批次（set-by-set）’，微觀上方便了各高校、院所的材料開發工作，宏觀上有助于推動材料科學的發展?！?在國內，三帝科技旗下隆源成型在其推出的專利設備AFS-M120X中實現了水平方向上的梯度粉層穩定鋪放，并結合與之配套的AFSwin-X梯度工藝軟件，能夠滿足分區變速、變功率的梯度材料打印需求，從而實現高精度、可控梯度的FGM零件制造。
展開 請問這個為什么一直顯示不能在平面內轉換？
想弄一個二維的納米壓痕仿真，是薄膜-基底的，仿真一直報錯
哈工大《JMST》：激光重熔技術制備細晶高強中熵合金！
根據納米壓痕試驗數據，推導出應力-應變關系，以評價合金的力學性能。用理論計算分析了重熔合金的強化機理。計算得到的屈服強度為1840.66 MPa，與納米壓痕得到的屈服強度(1647.2 MPa)基本一致。詳細的強化機理分析表明，位錯強化和第二相強化是主要機制，對重熔后MEA屈服強度的增加分別為904.02 MPa和700.29MPa。本研究對激光重熔在HEA/MEA上的應用有積極作用。
（文：破風）
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本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
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第二十二屆江蘇省光學薄膜技術交流會在南京順利召開
本次會議特別邀請了同濟大學先進技術研究院院長、精密光學工程技術研究所創始人王占山先生作題為《精密光學薄膜技術及其產業發展展望》的報告，還特邀了浙江大學光電學院教授/博士生導師沈偉東先生作了題為《超低反射減反射膜研制》的報告，天津津航技術物理研究所研究員季一勤先生作了主題為《硫系鍍膜表面鍍膜》的報告，以及西南技術物理研究所研究員馬孜先生作主題為《光學薄膜的納米壓痕技術》的報告。
此外，會議還邀請到在薄膜光學技術研究、制備技術、解決方案等方面做出出色工作的研究員、教授，技術工程師等等作了各種各樣的報告。精彩的報告引起了參會代表的反響，在現場參會代表對相關主題的報告進行了積極提問和交流。
在此之前，“江蘇省光學薄膜技術交流會”成功舉辦了21屆，已經成為江蘇省光學界一個品牌性學術活動。通過光學薄膜技術交流會這個平臺，會議增進了圈內代表的友誼，為很好地溝通交流提供了一個好的機會。此外本次會議也把技術交流和產品展示很好地融合在了一起。會議的規模和影響力在逐年擴大，為薄膜光學技術和制造能力的提高起到了積極推動作用，為江蘇省乃至全國光學相關領域的產研搭建了高質量的交流平臺。
作為協辦方，南京波長光電科技股份有限公司在整個會議過程中做了大量辛勤的工作，努力地為大家做好了各種各樣的公眾會務保障工作，參會人員對此次交流會的效果評價甚好。
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展開 晶體塑性每日文章推薦（二十四）
并通過鋁合金納米壓痕，不同取向單晶鋁拉伸模擬，以及多晶率剪切的模擬和實驗對比，證明了數值模型預測的準確性，以及積分方案的穩定性。
作者的本構框架使用超彈性框架，流動方程使用busso等人提出的熱激活模型：
模型中各個參數含義可以參考原始文獻，作者對各個參數范圍以及影響進行了詳細說明。
滑移阻力的演化基于經典的位錯理論，并由Ke-Shen Cheong等人進行了擴展，即將位錯密度細化為刃位錯和螺位錯。
兩種類型的演化分別為：
這里需要指出的是作者使用的模型起源于《Discrete dislocation density modelling of single phase FCC polycrystal aggregates 》
螺位錯演化的正確方程為：
原始文獻對每個參數的來源進行了詳細說明。其中需要擬合的參數僅僅包含兩個，其余參數的物理意義清晰。詳細了解可以參考該文獻。
時間積分方案策略：
過程為：
通過線性方程組單次迭代求解滿足收斂判據的pk2應力以及位錯密度
收斂判據
為了避免位錯密度波動對數值穩定性的影響，修正收斂判據為：
收斂之后更新柯西應力：
一致性切線模量：
數值模型驗證：
材料參數：
不同取向單晶鋁合金拉伸模擬與實驗結果對比：
不同取向單晶鋁合金納米模擬與實驗結果對比：
多晶鋁合金剪切模擬：
DIC結果與數值模擬結果：
表面粗糙度對比：
可以看到作者使用的模型可以很好的得到不同情況下鋁合金的變形特征，且作者認為這類方案相較于以往的雙重迭代方案計算更加高效。
展開 多鐵材料納米力學性能表征重要進展！
△ 圖1局部激勵壓電力顯微技術同時測量多鐵納米纖維的納米尺度壓電性和楊氏模量
研究團隊提出的局部激勵壓電力顯微技術很好地彌補了這一空白。該技術將經典的力學理論有機結合起來，在傳統的壓電力顯微技術基礎上進行延伸，實現了同時表征多鐵納米材料納米尺度壓電性能和力學性能。
為了證實該技術的有效性，團隊以不同組分的多鐵納米復合纖維為例，利用該技術不僅表征了纖維局部的壓電性，而且實現了對纖維納米尺度楊氏模量的單點測量以及成像。利用這一局部激勵技術得到的測量結果與傳統的納米壓痕法，全局激勵技術以及理論預測的結果很好地符合，證實了該技術的有效性及可靠性。
與傳統技術相比，該技術具有實驗裝置簡單，能夠實現真正意義上的局域微納尺度測量，且能無損地實現對材料楊氏模量和壓電性能的高速、高分辨率的成像等優點，這為多鐵材料納米尺度力學性能的表征提供了新思路，具有很好的應用前景。
該項研究得到科技部國家重點研發計劃納米專項，國家自然科學基金項目，深圳市科技創新委孔雀技術創新項目等項目資助。
供稿/醫工所 納米調控研究室 朱慶豐
來源：材料科學與工程
展開 非局部晶體塑性本構模型實現與案例演示
然而，如果模擬規模變小，例如在專注于納米壓痕（Zaafarani et al.，20082006）和微柱壓縮（Raabe，Ma和Roters，2007a）的研究中，則局部模型可能由于無法描述尺寸效應而不足，較小晶粒尺寸的強化效應是由于晶界附近非均勻塑性變形的體積分數較高。文獻中有幾種基于位錯機制的解釋，如晶界前移動位錯的堆積，導致應力集中，從而增加晶界附近的滑移阻力或應變梯度，從而產生額外的位錯密度增量，從而增加滑移阻力（Evers等人，2002）。此外，不同類型的實驗，如微扭轉、微彎曲、顆粒增強金屬基復合材料的變形和顯微壓痕硬度測試，都清楚地顯示了流動應力的長度尺度依賴性
在這些實驗中，通常會發生不均勻的塑性變形，這可能會導致材料點附近的方向和應變梯度。這些梯度可能與幾何必要位錯（GND）相關（Ashby，1970）。在現象學模型中，如何將GND整合到本構模型中并不簡單。相反，在基于位錯密度的模型中，GND概念可以很容易地作為本構框架的一部分進行整合（Nye，1953），目前通用的一類將幾何必要位錯（GND）引入本構模型的方式是通過Nye的位錯張量將應變梯度引入到GND之中
GND幾何必要位錯張量的演化表示為
其中：
得到統計位錯密度和幾何必要位錯密度后，根據經典的taylor理論得到滑移系統當前時刻的臨界分切應力
其中G為剪切模量。
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