准连续介质法在纳米压痕中的应用

目录序前言第1章 绪论 11.1 背景 11.2 纳米材料和科学 31.2.1 纳米材料的分类及其研究内容 31.2.2 数值模拟纳米材料 51.2.3 纳米材料的特性 91.2.4 纳米材料的应用 9 1.2.5 纳米科学 10 1.3 纳米力学 10 1.3.1 纳米力学理论 11 1.3.2 实验纳米力学 11 1.3.3 计算纳米力学 12 1.4 意义 14 参考文献 14 第2章 多尺度材料模型及准连续介质法 19 2.1 引言 19 2.2 多尺度材料模型基本理论 20 2.2.1 多尺度分析方法的一般描述 20 2.2.2 尺度科学计算中的基本问题和计算方案 22 2.2.3 多尺度模型协同算法 22 2.3 多尺度准连续介质法的基本原理 25 2.3.1 原子模型的建立 26 2.3.2 系统的总能量 282.3.3 代表性原子的选取 28 2.3.4 代表性原子与准连续介质势能的计算 29 2.3.5 简化的系统总能量 31 2.4 准连续介质法 32 2.4.1 减少自由度 32 2.4.2 局部 QC方法 33 2.4.3 非局部 QC方法 34 2.4.4 局部/非局部区域的判定 34 2.4.5 局部/非局部界面耦合 35 2.4.6 “魔力” 的产生及修正 36 2.4.7 网格自适应 39 2.5 准连续介质法的应用 40 2.5.1 纳米压痕 40 2.5.2 纳米接触 42 2.5.3 断裂 44 2.5.4 晶界变形 45 2.6 准连续介质法的应用和发展 46 参考文献 47 第3章 纳米压痕技术 53 3.1 纳米压痕研究概况 53 3.1.1 纳米压痕的实验研究 53 3.1.2 纳米压痕的数值研究 54 3.2 纳米压痕技术的理论方法 56 3.2.1 Oliver和 Pharr方法 57 3.2.2 应变梯度塑性理论 59 3.3 纳米压痕技术基本原理 62 3.3.1 压头几何形状的选择 62 3.3.2 确定材料硬度（H）和弹性模量（E） 63 3.3.3 接触刚度（S）与压入深度（h）的关系 63 3.4 纳米压痕技术的应用 64参考文献 65 第4章 单晶铜与单晶铝纳米压痕初始塑性变形过程模拟 71 4.1 引言 71 4.2 刚性圆柱压头纳米压痕计算模型 73 4.3 刚性圆柱压头模拟结果与讨论 74 4.3.1 刚性圆柱压头载荷-位移曲线 74 4.3.2 接触刚度-位移曲线 78 4.3.3 纳米硬度-位移曲线 78 4.3.4 弹性模量-位移曲线 79 4.4 刚性矩形压头纳米压痕计算模型 80 4.5 刚性矩形压头模拟结果 82 4.5.1 刚性矩形压头载荷-位移响应 82 4.5.2 位错形核 84 4.5.3 位错的发射机制 86 4.5.4 几何必须位错密度 88 参考文献 88 第5章 缺陷对纳米压痕过程的影响 90 5.1 初始表面缺陷对纳米压痕过程的影响 92 5.1.1 纳米压痕多尺度计算模型 92 5.1.2 模拟结果与分析 93 5.1.3 讨论 96 5.2 表面粗糙程度对力学参量测量的影响 101 5.2.1 计算及理论模型 101 5.2.2 压头尺寸的影响结果与分析 104 参考文献 107 第6章 晶格各向异性及压头尺寸对纳米压痕过程的影响 111 6.1 刚性矩形压头纳米压痕多尺度计算模拟 113 6.1.1 纳米压痕模型 113 6.1.2 纳米压痕方向选择 113 6.1.3 模拟结果与分析 1146.1.4 讨论 120 6.2 纳米压痕压头尺寸效应分析 128 6.2.1 纳米压痕计算模型 128 6.2.2 结果及讨论 130 参考文献 135 第7章 双层薄膜纳米压痕过程 139 7.1 层间界面对纳米压痕过程的影响 139 7.1.1 双层薄膜纳米压痕多尺度计算模型 140 7.1.2 模拟结果与分析 141 7.1.3 讨论 144 7.2 界面结构对双层薄膜纳米压痕过程的影响 148 7.2.1 Cu-Ag双层薄膜系统纳米压痕多尺度计算模型 149 7.2.2 模拟结果与分析 151 7.2.3 讨论 159 参考文献 164 第8章 微电子机械系统纳米接触过程的微观变形机制 168 8.1 微电子机械系统 168 8.2 楔形压头与光滑表面基体之间的纳米接触过程 176 8.2.1 光滑表面接触模型 176 8.2.2 模拟结果与分析 177 8.2.3 讨论 182 8.3 楔形压头与粗糙表面基体之间的纳米接触过程 188 8.3.1 单粗糙峰接触模型 189 8.3.2 多粗糙峰表面接触模型 194 参考文献 203