納米壓痕
關注創建者：悟空_8399 創建時間：2018-07-23
納米壓痕的實例教程
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 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。可以在圖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 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。
展開 基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展）
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：
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。
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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。
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。
，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。
劉小剛等通過靜力學試驗、斷裂韌性試驗、納米壓痕試驗以及疲勞裂紋擴展試驗研究了 TC4 擴散焊接頭的力學性能，并建立了其復合型疲勞裂紋擴展速率統一模型。招文龍等對 TC4 鈦合金雙搭接接頭的抗剪切疲勞性能進行了試驗研究，得到了接頭的正應力、切應力和壽命相關曲線。
國內以空心單元件為研究對象，主要在外物損傷及疲勞性能方面開展了研究工作。
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。
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
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。
通過納米壓痕、納米拉伸等實驗技術，可以直接測量材料的應力應變曲線和強度等力學性質，從而驗證和完善應變梯度模型。
