微納構(gòu)件加工表面性能演變過程及其拉伸力學(xué)特性的研究.pdf

1、納米加工中,材料去除形成微納構(gòu)件的加工表面,是制造技術(shù)中非常重要的一個(gè)方面,而在材料去除之后加工表面性能的演變也是一個(gè)重要方面,但是在以往的研究中,往往被忽視。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)零件和元器件的尺寸要求越來越小,尤其是隨著微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展,器件趨于小型化,器件尺寸已達(dá)到微米量級(jí),有的甚至要求納米量級(jí),此時(shí)器件的比表面積大,加工表面性能成為器件使用性能的主要影響因素。加工表面性能,包括表面粗糙度、表面缺陷、表面塑性變形、

2、加工硬化、表面層殘余應(yīng)力、表面金相組織的變化等,對(duì)材料性能和器件使用具有很大的影響,因此研究微納構(gòu)件已加工表面性能演變規(guī)律是十分必要的,對(duì)微納構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　微納構(gòu)件加工后,工件內(nèi)部具有較高的機(jī)械儲(chǔ)存能,通過自行調(diào)整原子位置可以降低工件能量,使工件向能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)演變,這一過程稱之為表面能量時(shí)效過程。本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法和蒙特卡羅方法相結(jié)合,基于隨機(jī)性算法,建立了微納構(gòu)件表面能量時(shí)效的蒙特

3、卡羅分析模型,并搭建了微納構(gòu)件表面能量時(shí)效過程的GPU高性能并行計(jì)算仿真平臺(tái),為系統(tǒng)開展微納構(gòu)件表面性能演變過程的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　首先建立單晶銅微納構(gòu)件表面能量時(shí)效的蒙特卡羅分析模型,研究表面能量時(shí)效作用對(duì)單晶銅微納構(gòu)件加工表面性能的影響,分別從表面粗糙度、工件有序度、缺陷結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布、勢(shì)能分布以及相變結(jié)構(gòu)等方面,分析加工表面性能在表面能量時(shí)效過程中的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)表面能量時(shí)效作用可以減小單晶銅工件加工表面的粗糙度,提

4、高工件變質(zhì)層的有序度,大幅降低工件殘余應(yīng)力和原子平均勢(shì)能,同時(shí)工件變質(zhì)層中的缺陷結(jié)構(gòu)以及相變結(jié)構(gòu)在表面能量時(shí)效過程中會(huì)顯著減少,其中部分缺陷結(jié)構(gòu)演變?yōu)槲诲e(cuò)團(tuán)和工件表面結(jié)構(gòu),并出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。表面能量時(shí)效作用對(duì)單晶銅微納構(gòu)件加工表面性能具有顯著影響,可以大幅提高構(gòu)件的使用性能。
　　其次通過對(duì)加工后單晶硅微納構(gòu)件表面能量時(shí)效過程進(jìn)行蒙特卡羅模擬,研究表面能量時(shí)效作用對(duì)單晶硅工件加工表面性能的影響,并從以下幾個(gè)方面具體分析加工表面性能

5、在表面能量時(shí)效過程中的變化:表面粗糙度、工件有序度、相變結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布、勢(shì)能分布等。模擬結(jié)果表明:在表面能量時(shí)效過程中,單晶硅微納構(gòu)件表面粗糙度變大,變質(zhì)層的有序度提高,殘余應(yīng)力以及原子平均勢(shì)能降低較大,同時(shí)工件變質(zhì)層中非晶硅原子在表面能量時(shí)效過程中大幅減少,部分非晶硅發(fā)生相變,出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。其中部分BCT5-Si以及金屬相(Si-II)結(jié)構(gòu)原子轉(zhuǎn)化為金剛石結(jié)構(gòu)(Si-I)。說明表面能量時(shí)效作用對(duì)單晶硅微納構(gòu)件表面性能具有一定的影響,

6、可以一定程度上提高其使用性能。
　　最后分別對(duì)表面能量時(shí)效前后的單晶銅和單晶硅微納構(gòu)件拉伸過程進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,分析表面能量時(shí)效作用對(duì)于兩種材料微納構(gòu)件拉伸過程的變形機(jī)制以及力學(xué)性能的影響,同時(shí)采用多尺度方法分析了單晶銅微納構(gòu)件力學(xué)性能的各向異性。研究發(fā)現(xiàn):單晶銅微納構(gòu)件力學(xué)性能和塑性變形具有顯著的各向異性;表面能量時(shí)效作用對(duì)單晶銅微納構(gòu)件的力學(xué)性能具有顯著的影響,主要表現(xiàn)為單晶銅微納構(gòu)件的加工過程使工件屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度以及工