沖擊載荷作用下金屬薄膜缺陷的多尺度分析

2014-10-27 姜文全東北大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院

　　應(yīng)用多尺度方法研究金屬薄膜-基體結(jié)構(gòu)中的缺陷在沖擊載荷條件下的變化規(guī)律和力學(xué)行為。多尺度方法結(jié)合了分子動(dòng)力學(xué)和有限元方法，分子動(dòng)力學(xué)方法用于納米薄膜中的局部缺陷區(qū)域，有限元方法用于整個(gè)膜-基結(jié)構(gòu)，微/宏觀(guān)尺度之間的握手區(qū)通過(guò)FEAt 方法進(jìn)行連接。模擬計(jì)算既包括了系統(tǒng)宏觀(guān)尺度上的模型位移、應(yīng)力場(chǎng)等，又包括了微觀(guān)尺度上原子位置坐標(biāo)、缺陷附近原子結(jié)構(gòu)變化等。模擬結(jié)果表明: 在沖擊載荷作用下，沖擊波通過(guò)基體傳遞到薄膜；在宏觀(guān)上，體現(xiàn)為膜-基結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化；在微觀(guān)上，缺陷附近原子發(fā)生濺射。可見(jiàn)由于沖擊作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中和缺陷處原子濺射導(dǎo)致膜-基結(jié)構(gòu)中的微缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，造成薄膜失效。

　　隨著鍍膜工藝的發(fā)展，金屬薄膜的厚度已由數(shù)微米發(fā)展到數(shù)納米的超薄膜，它兼具傳統(tǒng)復(fù)合材料和現(xiàn)代納米材料二者的優(yōu)越性。納米薄膜可以改善一些機(jī)械零部件的表面性能，以減少振動(dòng)，降低噪聲，減小摩擦，延長(zhǎng)壽命。但此類(lèi)金屬薄膜在制備過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些微裂紋，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為這使得薄膜的力學(xué)性能受到極大的影響。近年來(lái)，在單一尺度下的金屬薄膜上的微裂紋研究，已引起了研究人員的一定關(guān)注；但對(duì)于多尺度下的金屬薄膜缺陷鮮有研究。為此，文中應(yīng)用多尺度方法對(duì)帶有表面缺陷的膜-基結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬研究，旨在多角度地揭示金屬薄膜失效機(jī)理。

1、多尺度仿真基本原理

　　對(duì)于多尺度問(wèn)題，在原子區(qū)及連續(xù)介質(zhì)區(qū)的計(jì)算方法都已相對(duì)成熟，主要難題集中在如何處理原子模型和連續(xù)介質(zhì)的握手區(qū)上，文中采用FEAt 方法對(duì)握手區(qū)進(jìn)行仿真。在FEAt 方法中，整個(gè)模型劃分成1、2、3、4 四個(gè)部分，如圖1 所示。

多尺度區(qū)域劃分

圖1 多尺度區(qū)域劃分

2、多尺度模擬計(jì)算

　　2.1、多尺度模型建立

　　在不銹鋼基體上鍍100 nm 厚銅膜，膜-基結(jié)構(gòu)材料常數(shù)見(jiàn)表1，薄膜表面帶有寬10 nm，深50 nm表面微裂紋。建立多尺度模型如圖2 所示: 整個(gè)模型分為有限元區(qū)( 基體部分) 、握手區(qū)( 薄膜和基體結(jié)合部分) 、分子動(dòng)力學(xué)區(qū)( 薄膜部分) 。細(xì)劃握手區(qū)有限單元體長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與原子一一對(duì)應(yīng)，即有限單元體的長(zhǎng)度等于原子晶格常數(shù)。

表1 膜-基結(jié)構(gòu)材料常數(shù)

沖擊載荷作用下金屬薄膜缺陷的多尺度分析

圖2 多尺度模型

　　2.2、模擬計(jì)算過(guò)程

　　對(duì)基體左右兩端施加UY 約束，底面加載10 kN外力沖擊，作用時(shí)間為1.0 × 10 ^-8 s；有限元模擬與分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間步長(zhǎng)比為1∶ 1000；在握手區(qū)，有限元模擬計(jì)算求得位移增量加權(quán)平均，其值代入到應(yīng)用FEAt 方法自編程序中，求得分子動(dòng)力學(xué)邊界條件( 即邊界原子以1000 m/s 向薄膜內(nèi)部沖擊) 。