关键词：
离散位错动力学
尺度效应
微循环响应
穿透晶界模型
应力陡降
摘要：
近年来,各种各样的微机电系统在微电子、通讯、医学和先进制造等领域得到了广泛地应用。由于尺度的缩小,这种微系统在极大地方便了人们生活的同时,也给学术界和工业界带来了前所未有的挑战和机遇。在微系统中使用了各种小尺度材料及其结构,例如薄膜,细丝,微梁,微柱等等,它们的特征几何尺寸降低到了和材料的微结构(晶粒)同一量级。晶粒产生的约束使得其力学行为呈现出强烈的尺度相关性。另一方面,这些微器件在服役中大多承受着循环交变载荷的作用。尺度效应和循环响应同时存在并且相互耦合,使得其力学行为变得更为复杂。因此研究小尺度材料在单调和循环载荷下的力学行为,发展新的计算模拟方法,在学术界和工程界都具有重要意义。为此,针对典型小尺度薄膜和微柱材料,本文开展了如下几个方面的研究：
1.本文使用二维多晶离散位错动力学方法对多晶体薄膜的尺度效应进行了系统的研究,薄膜有三种类型：自由表面,钝化表面和表面晶粒细化的薄膜。结果显示：自由表面薄膜的流动应力随着薄膜厚度的增加显著增加；然而,后两种薄膜却表现出了相反的尺度效应,即‘越薄越强’。通过对薄膜内部位错形态进行分析发现,这种不同的尺度相关行为主要来源于表面约束和内部约束之间的竞争。在自由表面薄膜中,表面晶粒相对内部晶粒较容易变形,所以随着试样厚度增加,表面晶粒的体积分数的减小使得流动应力明显增加。但是后两种薄膜的表面晶粒刚刚相反,也就是较难变形,所以导致相反的尺度效应,也可以看出表面处理对小尺度材料的力学行为起不可忽视的作用。
2.材料循环松弛行为显著影响其疲劳寿命,因此本文研究了超细多晶体的循环松弛行为及其内在的位错机理。经过对比发现,单晶体和晶界不可穿透的多晶体都没有表现出明显的循环松弛行为。但是在晶界可穿透的多晶体中,尽管没有位错胞和驻留滑移带的存在,仍然观察到了强烈的循环松弛行为,可以看出这主要是和晶界的穿透性有关。另外本文也探讨了加载的循环应变波形对循环松弛行为的影响。循环应变的平均值对归一化平均应力没有影响,但是应变幅值的影响不可忽略,主要表现在更大的幅值导致归一化平均应力松弛的更显著。
3.为了研究空心构件的力学行为,本文采用三维离散位错动力学模拟,研究了空心微柱压缩行为的尺度效应,揭示了尽管其屈服应力随着外径的变小和内径的变大显著增加,但是它最终主要是由壁厚来决定的。这是因为其屈服行为是由单臂位错源主导,而单臂位错源的长度又是和壁厚直接相关。为了定量地描述屈服应力和壁厚的关系,本文结合位错源长度的统计分布,扩展了单臂位错源的屈服应力模型；此模型预测的屈服应力和三维离散位错动力学计算结果能够很好地吻合。
4.材料间歇性行为不利于微机电系统的精密制造和安全服役。为了控制或者消除应力陡降,本文把二维的晶界穿透准则扩展到了三维,并且引入到三维离散位错动力学中,用来研究单晶和双晶微柱的应力陡降现象。结果表明,单晶的应力应变响应表现出了少量的大幅陡降,大量的小幅陡降则发生在双晶中。这种差异主要是由于双晶中的晶界充当着位错障碍和位错源的角色。
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