沖擊載荷作用下金屬薄膜缺陷的多尺度分析

　　應用多尺度方法研究金屬薄膜-基體結構中的缺陷在沖擊載荷條件下的變化規律和力學(xué)行為。多尺度方法結合了分子動(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域，有限元方法用于整個(gè)膜-基結構，微/宏觀(guān)尺度之間的握手區通過(guò)FEAt 方法進(jìn)行連接。模擬計算既包括了系統宏觀(guān)尺度上的模型位移、應力場(chǎng)等，又包括了微觀(guān)尺度上原子位置坐標、缺陷附近原子結構變化等。模擬結果表明: 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，體現為膜-基結構應力的變化；在微觀(guān)上，缺陷附近原子發(fā)生濺射�？梢�(jiàn)由于沖擊作用產(chǎn)生的應力集中和缺陷處原子濺射導致膜-基結構中的微缺陷進(jìn)一步擴大，造成薄膜失效。

　　隨著(zhù)鍍膜工藝的發(fā)展，金屬薄膜的厚度已由數微米發(fā)展到數納米的超薄膜，它兼具傳統復合材料和現代納米材料二者的優(yōu)越性。納米薄膜可以改善一些機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(cháng)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://likelearn.cn/)認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；但對于多尺度下的金屬薄膜缺陷鮮有研究。為此，文中應用多尺度方法對帶有表面缺陷的膜-基結構進(jìn)行模擬研究，旨在多角度地揭示金屬薄膜失效機理。

1、多尺度仿真基本原理

　　對于多尺度問(wèn)題，在原子區及連續介質(zhì)區的計算方法都已相對成熟，主要難題集中在如何處理原子模型和連續介質(zhì)的握手區上，文中采用FEAt 方法對握手區進(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。

圖1 多尺度區域劃分

2、多尺度模擬計算

　　2.1、多尺度模型建立

　　在不銹鋼基體上鍍100 nm 厚銅膜，膜-基結構材料常數見(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( 基體部分) 、握手區( 薄膜和基體結合部分) 、分子動(dòng)力學(xué)區( 薄膜部分) 。細劃握手區有限單元體長(cháng)度，實(shí)現節點(diǎn)與原子一一對應，即有限單元體的長(cháng)度等于原子晶格常數。

表1 膜-基結構材料常數

圖2 多尺度模型

　　2.2、模擬計算過(guò)程

　　對基體左右兩端施加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(cháng)比為1∶ 1000；在握手區，有限元模擬計算求得位移增量加權平均，其值代入到應用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 向薄膜內部沖擊) 。

4、結論

　　以上通過(guò)有限元軟件、分子動(dòng)力學(xué)軟件結合多尺度分析方法對帶有表面微裂紋的金屬膜-基結構進(jìn)行分析，得出如下結論:

　　(1) 應用有限元軟件對不銹鋼基體部分宏觀(guān)應力分析，可見(jiàn)基體宏觀(guān)應力由下自上，由兩邊向中間傳遞；并隨著(zhù)載荷時(shí)間的增加，微裂紋尖端出現應力集中。

　　(2) 通過(guò)宏觀(guān)應力云圖可見(jiàn)薄膜與基體之間應力變化不連續，以至薄膜在沖擊作用下有脫落可能。

　　(3) 在微觀(guān)尺度上，X、Y、Z 三個(gè)方向原子平均應力呈波動(dòng)性變化；同時(shí)在沖擊作用下，原子被壓縮，繼而微裂紋尖端出現空位；空位逐漸增加并向外運動(dòng)，使部分原子發(fā)生濺射，最終微裂紋擴展。