Nano-indentation纳米晶体的钨-分子动态模拟

文摘

文中对纳米压痕技术的测试在这个工作我们执行一系列测试纳米晶体(nc)钨(W)标本,用分子动力学(MD)模拟和嵌入原子法(像)。我们研究了晶粒尺寸效应在6到15海里,普及率的5 a / ps和室温下300 K。我们发现增加弹性模量降低Er和年轻的弹性模量E与晶粒尺寸的增加。另一方面,我们研究了渗透速度的影响从3 5 / ps / ps。我们发现当钻进速度弹性模量的增加而增加。发现结果是在良好的协议与文学

关键字

Nanoindentation钨纳米晶体,分子动力学模拟,晶粒尺寸,硬度计压头速度

介绍

纳米晶体材料粒径小于100纳米,具有一些吸引人的特性,如高收益和骨折的优势(1),提高耐磨性(2]。大量的纳米晶体材料的应用取决于粒径和温度。哈里斯(3)研究机械性能多晶钨的温度从使用nanoindentation 25°C到950°C。这种方法被广泛用于获得弹性模量、硬度、和纳米晶体材料的屈服应力4- - - - - -7]。Nanoindentation与一个已知的方法,使用硬度计压头几何开车到一个特定网站的标本通过增加负载(8,9]。这种方法被广泛用于测量薄膜的力学性能,因为它使用小负载(nanonewtons的顺序),使处理厚度在纳米尺度。最近一些作品进行使用有限元(FE) nanoindentation仿真研究薄膜的机械性能和涂层系统(10,11]。由于计算机仿真技术的发展,仿真规模的原子从数千到数百万。分子动力学(MD)模拟研究材料特性被广泛使用在各个领域,如生物科学、化学、材料科学与技术(12,13]。Hasnaoui et al。14]研究了混乱和晶界之间的互动下硬度计压头。Kelchner et al。15)发现,初始部分位错环有核的缩进轴非盟(111)表面以下。Ruestes [16]研究了硬度计压头直径的影响,渗透速度和原子间势钽nanoindentation缺陷机制和演化。Hagelaar [17文中对纳米压痕技术的测试]研究了形成和破坏在钨接触。雷竞技网页版根据李,et al。4),MD模拟被用于研究塑料变形由缩进的过程。期间观察位错成核和堆积的nanoindentation单晶铁。此外,纳米晶体的塑性变形钽nanoindentation期间受变形双晶的表面形貌(18]。这项工作的主要目的是分析这些影响nanoindentation数控钨的MD模拟。结果提出的部分与其他模拟方法相比也有经验。

模拟方法

原子间势

MD模拟解决NewtonAƒ一个¢‚‚¬‚¸年代运动方程,给出了轨迹的每个原子在每一个时间。部队在一个原子的负梯度计算每个原子的势能(19]。势能的来源是原子间势,这限制了物理的原子相互作用,并且可以视为MD模拟的关键组件。一个原子间潜在的使用一个原子的位置相对于它所有的邻居来计算其潜在能量。原子间潜在的数学形式通常是选择然后参数由拟合实验和量子力学仿真数据;出于这个原因,电位被认为是经验(20.]。嵌入原子法目前是常见的金属技术用于分子动力学计算机模拟系统(21]。的方法提供了一个很好的描述系统中原子间的力量,特别是对于fcc金属。在金属和模型计算原子间势原子之间的作用力如下

(1)

E是系统的总能量,V (r_ij)代表两人交互原子之间的能量我及其邻近的原子j,φ(r_ij)是电子密度函数,F(ρi)代表一个嵌入函数占金属中的自由电子的影响(22]。特别是,我们使用了像潜在功能开发(23]。

在这项研究中,MD模拟执行使用大规模原子/分子大规模并行模拟器代码(LAMMPS) [24]。我们使用周期性边界条件在横向方向(x和y)和自由表面缩进的方向(z)。样本大小垂直缩进方向选择足够大,以避免虚假的周期性边界条件的影响。我们使用一个固定的边界条件的底部nc-W,代表一个硬衬底。硬度计压头的建模是一个虚拟的球形压头使用强烈的排斥位能。

样品制备

我们开始通过构建包含5纳米晶体颗粒平均粒径的15海里,9和6 nm使用泰森多边形法建设[25]。模拟框是一个多维数据集和维度对应的平均晶粒尺寸。谷物的核心包含原子范围bcc晶格与随机的晶体取向。模拟进行使用刚性球形压头半径为30。样品的表面硬度计压头朝着达成了在一个恒定的速度,直到所需的深度,然后系统平衡几个仿真步骤(26,27]。

压痕模拟过程

在这个工作我们使用硬度计压头速度从3 5 / ps / ps,速度远远超过在实验(28),但尽管以较高的速度进行这些模拟仍然可以揭示原子重组的主要特点29日]。MD时间步长设置为1 fs。样本最初放松在300 K使用速度重新调节方法4]。底部基质保持固定的20;该地区从20到40集的恒温器样品表面的原子和顶部被视为一个自由表面30.]。

结果与讨论

赫兹接触雷竞技网页版

图1展览的一个示例加载曲线显示负载与压痕深度的晶粒尺寸15海里。硬度计压头力决定从平均瞬时硬度计压头力过去100 fs硬度计压头前蹲下。在赫兹理论是由:

(2)

R代表硬度计压头的半径(30),压痕深度和E h_r给出了弹性模量的降低W,:

(3)

E是杨氏模量和ϑPoissonAƒ一个¢‚‚¬‚¸年代比。我们注意的价值是0.28是由原子间势(26]。

我们可以看到从表1杨氏模量的晶粒尺寸的增加而增加。另一方面,杨氏模量价值399.3的绩点,发现15纳米晶粒尺寸样品接近散装W (410 GPa) (31日]。康等。32)获得的价值323.6 GPa nanoindentation的杨氏模量和多晶钨nanoscratch实验。哈里斯等。[3]进行了实验,发现降低弹性模量的值是287 GPa的温度从25到800°C。在300 K,我们计算的弹性模量降低6 nm平均晶粒尺寸样品,发现318.1的绩点。这个结果非常接近实验发现,迪伦等。33)(317 GPa)。

表1:值降低弹性模量,杨氏模量nc-W。

降低弹性模量

我们策划的结果表1在图2并观察到纳米晶体的弹性模量降低Er钨显示了一个线性关系与平均粒径倒数1 / d。这行为实验观察了桑德斯et al。34]。

E之间的线性关系_r和1 / d可能是一个通用特性的纳米晶体金属平均晶粒尺寸提出了不等。当颗粒的平均粒径减少原子分数边界将减少,因为原子分数的增加谷物。这中可以看到图3,这表明,弹性模量降低原子分数的增加几乎呈线性增加谷物。我们可以推断出E_r和1 / d线性关系,至少在研究范围的平均晶粒尺寸。周和南35]还发现纳米晶体的线性关系和体心立方(bcc)金属结构(35]。

重要的是要研究的速度的影响硬度计压头的力学行为。硬度计压头的速度是不同的从35 5 / ps / ps,分别。在图4,我们策划的一个例子这些曲线的渗透速度5 A / p。我们发现5 A / p, load-depth曲线的斜率(10 eV.A³4)陡比/ ps (8.9 eV.A³)和3 / ps (8.3 eV.A³)。这表明,杨氏模量与渗透速度增加。这些结果还发现nc-Ni [28]和nc-Cu [36]。

结论

MD模拟被用来研究渗透速度和粒径的影响在减少钨纳米晶体的弹性模量,杨氏模量。load-depth曲线是在良好的协议与修改Hertizian理论。降低弹性模量得到的值与实验吻合较好,有限元模拟结果。缩进速度的影响表明,降低模量随着渗透速度增加而增加。模量降低Er显示平均晶粒尺寸的倒数成线性关系1 / d纳米晶体钨。这种行为是由晶界原子的分数的增加,当晶粒尺寸增加。

引用

1. 格雷特。纳米晶体材料。课题板牙Sci 1989; 33:223 - 315。
2. 高人气的锌、et al。纳米晶体的粒度对摩擦磨损的影响铝。板牙Sci Eng 1996; 206:302 - 313。
3. 哈里斯AJ, et al。高温Nanoindentation方法论及其应用发展的多晶钨Nanoindentation真空到950°C。实验装置2017;57:1115 - 1126。
4. 李J,等。文中对纳米压痕技术的测试研究使用分子动力学模拟纳米晶体结构的力学响应。:冲浪Sci 2016; 364:190 - 200。
5. Gerberich WW, et al。缩进引起位错成核:初始屈服点。Acta Materialia 44:3585 1996; 3598年。
6. Volinsky A和Gerberich WW。Nanoindentation机械可靠性评估技术在纳米尺度上。微电子Eng 69:519 2003; 527年。
7. Weertman JR, et al,散装纳米晶体材料的结构和力学行为。牛夫人1999;24:44-53。
8. Nix w .薄膜的机械性能。金属板牙反式1989;20:2217 - 2245。
9. 电话BJ, et al。硬度计压头几何形状的影响弹性反应缩进。J phy D:: 1999; 27:1156 - 1162。
10. 张Y, et al。nanoindentation模型尺寸的影响。J机械phy固体2006;54:1668 - 1686。
11. Bressan JD,等。文中对纳米压痕技术的测试建模散装和薄膜的有限元方法。2005年穿;258:115 - 122。
12. 张X, et al。系统的分子动力学模拟研究的温度依赖的双层结构属性。Biochim Biophys学报2014;1838:2520 - 2529。
13. Tackerman M, et al .从头开始溶解和运输的分子动力学模拟H3O +和Oh -离子在水中。J phy化学1995;99:5749 - 5752。
14. Hasnaoui, et al .混乱和晶界之间的互动下硬度计压头——分子动力学模拟。Acta板牙2004;52:2251 - 2258。
15. Kelchner CL, et al .位错成核和缺陷结构在表面压痕。物理评论B 1998; 58:11085 - 11088。
16. Ruestes CJ, et al。单纯模拟钽nanoindentation:硬度计压头直径的影响,渗透速度,和原子间势缺陷和演化机制。板牙Sci Eng 2014; 613:390 - 403。
17. Hagelaar JHA等。文中对纳米压痕技术的测试原子论的形成和破坏的模拟在钨接触。雷竞技网页版物理评论B -凝聚态板牙phy 2006; 73年。
18. 高尔年代,et al。孪生在nanoindentation钽的各向异性。板牙Sci Eng 2015; 627:249 - 261。
19. Lesar r .计算材料科学的介绍。剑桥大学出版社2013。
20. Tadmor E和米勒r .建模材料。剑桥大学出版社2011。
21. 寒鸦女士和晒MI。Embedded-atom method-derivation和应用杂质,表面,金属和其他缺陷。物理评论B 1984; 29:6443 - 6453。
22. 福克斯的m .原子间凝聚的力量。牛津大学出版社2003;129 - 186。
23. 王J, et al .修改W-W原子间潜在的基于从头开始计算。模型同时板牙Sci Eng 2014; 015004:22。
24. Plimpton美国快速并行算法”短程分子动力学。J第一版phy 1995; 117:1-19。
25. Egami T, et al .结构性缺陷的非晶态固体计算机模拟研究。费罗斯杂志1980;41:883 - 901。
26. 动摇C和Zierau w .高温体积弹性模量的测定钨自扩散实验证明。J: 1980; 51:2070。
27. Naveen Kumar N, et al。活跃的滑动系统在bcc铁nanoindentation:分子动力学研究。第一版板牙Sci 2013; 77:260 - 263。
28. 伊姆兰米,等。文中对纳米压痕技术的测试动态特性在倪:分子动力学模拟研究中国phy B 2012; 21:116201。
29. 赫雷兹H, et al .电导通过单个原子。物理评论B:凝聚态1997;55:R1981-R11981。
30. 刘正年,et al。分子动力学的研究量子摩擦条件下不同rolling-sliding roller-on-slab系统。纳米技术2005;16:1941。
31. 奥利弗WC和法尔通用。一种改进技术来确定使用载荷和位移传感压痕硬度和弹性模量的实验。J板牙Res 1992; 7:1564。
32. Chengewi, et al。机械性能和材料去除的研究多晶钨通过Nanoindentation和Nanoscratch。阿德板牙Res 797:706 2013; 710年。
33. 迪伦J莫里斯。有限元分析和试验研究的赫兹假设初始塑性屈服的表征。J板牙Res 2009; 24。
34. 桑德斯PG, et al。弹性和拉伸行为的纳米晶体铜和钯。Acta板牙1997;45:4019 - 4025。
35. Kai周,et al。颗粒大小和形状对力学性能的影响的纳米晶体铜分子动力学研究。板牙Sci Eng 2014; 615:92 - 97。
36. Te-Hua方,等。分子动力学分析Nanoindentation速度和载荷的影响。日本J: 2002; 41: L 1328 - 1331 L。