1、学校代码 10530 学 号 200910081121 分 类 号 密 级 硕 士 学 位 论 文分子动力学模拟位错和界面的相互作用学 位 申 请 人 周银库 指 导 教 师 陈尚达 副教授 学 院 名 称 材料与光电物理学院 学 科 专 业 材料科学与工程 研 究 方 向 金属薄膜的力学性能 二零一二年五月Molecular dynamics simulations of interaction between dislocations and interfacesCandidate Yinku Zhou Supervisor Shangda Chen (Associate Professo
2、r) College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics Program Material Science and Engineering Specialization Mechanical Properties of metal film Degree Engineering Master University Xiangtan University Date May, 2012 湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任
3、何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日I摘 要纳米尺度的金属多层膜在屈服应力、塑性、抗腐
4、蚀性能等方面具有特殊的性能。目前它已被广泛应用于航空航天、机械制造、电子技术、光学工程及计算机工程等各个领域。而在薄膜材料的应用过程中，薄膜的使用寿命和可靠性是人们普遍关注的焦点问题。界面的结合性能是影响多层膜寿命和可靠性的关键指标，而位错和界面的相互作用机理决定着界面的结合性能，即位错和界面的相互作用机理在薄膜的使用寿命和可靠性方面扮演着关键角色。因此对位错和界面的相互作用机理的研究就显得特别有价值和意义。随着高性能计算机的发展，原子模拟已成为材料性能预测与设计方面一种有效的方法。 本文用三维分子动力学方法研究了位错和界面的相互作用机理，具体如下：首先，用分子动力学方法研究了侧向拉伸载荷下位
5、错从 bcc-Fe/Ni 界面的形核和发射过程。弛豫后，在 Fe(0 0 1)/Ni(0 0 1)和 Fe(0 0 1)/Ni(1 1 1)界面观察到无序的失配位错网络，Fe(0 0 1)/Ni(1 1 0)界面观察到长方形的失配位错网络。研究了晶体取向对 Fe/Ni双层膜拉伸性能的影响。不同取向的对比发现 Fe(0 0 1)/Ni(1 1 0)系统的屈服强度最低。和 Fe 薄膜进行了对比，发现 Fe/Ni 双层膜系统的塑性高于 Fe 薄膜的，而屈服强度低于Fe 薄膜的。模拟结果显示，界面是位错的发射源，滑移位错从界面的失配位错线形核和发射。同时界面也会阻碍位错运动，随着拉伸的进行，Fe 层中
6、越来越多的位错被塞积在界面处，当到达到临界值时，迫使位错穿过 Fe/Ni 界面，从 Fe 层到 Ni 层。在 Fe基体中位错主要在1 0 1面滑移，而在 Ni 中主要在 1 1 1面滑移。其次，用分子动力学模拟了单轴拉伸载荷下不同扭转角的 Cu(001)/Ni(001)界面的结合性能。模拟结果显示，当扭转角小于 15.124 度时，界面形成方格状的失配位错网络，界面失配位错网络的密度随着扭转角的增加而增加。当扭转角大于 15.124 度时，在界面形成面缺陷。模拟发现界面构型对 Cu/Ni 系统的界面强度有着非常显著的影响。随着扭转角的增加屈服应力首先减小，直到扭转角为 5.906 度的最小值，
7、然后增加，当其达到扭转角为 15.124 度的最大值后，又开始减小 ，最后当扭转角约大于 20 度，屈服应力几乎趋于一稳定的值。关键词： 分子动力学；界面；滑移位错；失配位错 IIABSTRACTNanoscale multilayered composites often possess extraordinary mechanical properties in terms of yield stress, ductility, and wear resistant. Now it has been widely used in aerospace, mechanical manufact
8、uring, electronics, optical engineering and computer engineering fields. In the applied process of the thin film materials, people commonly focus on the reliability and service life of the thin films. The binding property between the thin film and the substrate is a key indicator of metallic multila
9、yers the reliability and service life, the interaction mechanisms between dislocations and interfaces dominate the binding properties of the interfaces. Therefore, the interaction mechanism between dislocations and interfaces plays a vital role in the field of the reliability and service life of the
10、 thin films.So it is an interesting and valuable thing to understand the interaction mechanisms between dislocations and interfaces. With the development of high-performance computer, atomic simulations have become an effective method in the field of material properties forecast and design. In the p
11、resent work, we have studied the interaction between dislocations and interfaces with 3D Molecular Dynamic Simulations. Firstly, molecular dynamics simulations were carried out to investigate the nucleation and emission of dislocations from an interface in a bcc-Fe/Ni bilayer subjected to transverse
12、 loading. After relaxation, disordered types of dislocations were observed at both Fe(0 0 1)/Ni(0 0 1) and Fe(0 0 1)/Ni(1 1 1) interfaces, and rectangular dislocations types at Fe(0 0 1)/Ni(1 1 0) interface. The orientation effect on the mechanical properties of a Fe/Ni bilayer system was investigat
13、ed. The yield stress of the Fe(0 0 1)/Ni(1 1 0) system abtained is lowest. We also found that the yield stress of pure iron nanofilm was higher than that of a Fe/Ni bilayer system, and the ductility was lower than that of a Fe/Ni bilayer system for given temperature and strain rate. The simulation r
14、esults obtained also show that the misfit dislocations at Fe/Ni interface acted as a source to nucleation and emission of glide dislocations. Glide dislocations nucleation and emission from misfit dislocation line at Fe/Ni interface. The existence of misfit dislocations and the lattice mismatch can
15、also act as barriers to dislocation motion and transmission across the interface. More dislocations in Fe have been arrested at the Fe/Ni interface, which provides sufficient stress for dislocations to transmit from Fe to Ni. Glide dislocations mainly occurred on 1 0 1 plane in Fe layer of FeNi bila
16、yer, and 1 1 1 plane in Ni layer. Secondly, molecular dynamics simulations were carried out to study the mechanical IIIproperties of Cu(001)/Ni(001) interface boundaries with different twist angles subjected to uniaxial loading. The results obtained revealed that square misfit dislocations networks
17、can be observed when the twist angle was lower than 15.124, and the density of misfit dislocations increased with increasing twist angle. Face defects were formed when the twist angle was higher than 15.124. It has been found that the interface configuration had a significant effect on the interface
18、 strength of the Cu/Ni system. The yield stress was found to decrease first with increasing twist angle and it reached its lowest value at 5.906 twist angle. Subsequently, it increased with increasing twist angle till it reached its highest value at 15.124 of the latter; it then decreased again and
19、finally became almost constant when the twist angle was larger than approximately 20 .Key Words: Molecular Dynamics; Interface; Glide dislocation; Misfit dislocation IV目 录第 1 章 引言11.1 薄膜概述 11.2 界面概述 11.3 晶体位错相关理论概述 41.4 晶体界面的分子动力学研究现状 61.5 本文的研究思路、目的及意义 7第 2 章 分子动力学方法92.1 引言 92.2 基本原理 102.2.1 积分方法10
20、2.2.2 原子间的相互作用势112.3 边界条件 132.4 温度、压力控制方法 142.4.1 控温方法142.4.2 控压方法152.5 分析方法 162.5.1 中心对称参数（centrosymmetry parameter） 162.5.2 径向分布函数172.6 模拟软件与可视化 172.7 小结 18第 3 章 Fe/Ni 双层膜系统中位错和界面的相互作用193.1 模拟方法 193.2 结果及讨论 203.2.1 弛豫后沿厚度方向的势能分布203.2.2 初始界面失配位错结构213.2.3 晶体取向的影响223.2.4 bcc-Fe 薄膜的变形机理 233.2.5 bcc-Fe
21、 层 的滑移位错 243.2.6 Fe/Ni 双 层膜的变形机理 263.2.7 Ni 层厚度的影响293.2.8 温度 的影响30V3.2.9 应变 率的影响303.3 小结 31第 4 章 Cu(001)/Ni(001)扭转界面的结合强度334.1 模拟模型和方法 334.2 结果与讨论 354.2.1 初始失配位错构型354.2.2 Cu(001)/Ni(001)系统的变形机理 364.2.3 Cu 层中滑移 位错的变形机理 384.3 小结 39第 5 章 总 结与展望415.1 工作总结 415.2 工作展望 41参考文献43致 谢48个人简历、攻读硕士学位期间发表的论文49湘潭大学
22、硕士毕业论文1第 1 章 引言1.1 薄膜概述薄膜材料通常是指在二维方向上的尺度比另一维方向大很多，在其基体材料上通过化学或物理等方法制备另外一层材料，以达到某种特定功能，如提高断裂韧性、增加塑性、增加使用寿命, 以及美观度等等。薄膜材料与块体材料相比，有比较高的比表面积，比较少的配位数，由于原子之间的化学键在表面处突然断开，故使其表面原子相对内部原子有较高的表面势能和表面应力 1-3。有很多种薄膜的制备方法 4，如物理方法中的真空蒸发、溅射、离子束和离子助、外延膜沉积技术等，以及化学方法中的电镀、阳极反应沉积法、化学气相沉积等。各种制备方法有各自的优缺点和适用范围，实际应用时以具体情况而定。
23、薄膜的分类方式有多种 5。按性质来分，有合成膜与天然膜等; 按层数,有单层膜和多层膜等。由于具有独特的微观结构以及物理和化学性能，薄膜材料在最近几十年来已被广泛应用于航空航天、机械制造、电子技术、光学工程及计算机工程等各个领域。目前许多国家都把薄膜材料的研究设为大型研究项目。在各种类型薄膜中，金属多层膜在屈服应力、塑性、抗腐蚀性能等方面具有特殊的性能 6-11。既而金属 /金属薄膜材料被广泛应用于各种结构功能材料中，薄膜材料应用的可靠性和使用寿命很大程度上依赖于薄膜与基体的结合性能，据统计，日、美、欧共体等国每年国民生产总值的6%8% 12 都因材料的疲劳、断裂、腐蚀、磨损等破坏而损失。而界面
24、的结合性能是影响多层膜质量的关键指标，这就要求我们对薄膜界面微观结构有很好的了解。对界面结合性能的研究，已经是当今具有困惑性和挑战性的难点问题。目前已有大量的实验研究方法，如纳米压痕法、鼓包法、拉伸法等。另外，随着近年来高性能计算机的发展，计算机模拟方法也被越来越广泛的应用于这一领域。1.2 界面概述界面一般包含表面、晶界和相界面等，为一种二维缺陷，即面缺陷。我们称晶体与空气或液体接触的界面为表面。在表面上的原子，其相邻原子数比晶体内部要少，相当于一部分结合键被拆断，因而有较高的能量，产生了表面能，湘潭大学硕士毕业论文2表面能通常要比晶界能更大些。通常应用中的金属材料，大部分为多晶材料，而非单
25、晶材料。在多晶材料中，在晶粒和晶粒之间存在着界面，即晶界。晶界处晶粒从一个位相过渡到另一个位相，晶界把结构相同位相不同的亚晶粒隔开。由于晶界处同时受到两侧晶粒的影响，处于两侧晶粒的过度状态，从而使晶界具有特殊的构型，进而对晶体的结合性能产生着巨大的影响。如图 1.1 所示为Cu 晶体中 9（221）=141.1的晶界结构模型 13。上下两部分晶粒的晶向不同，交叠在一起，在界面处形成 E 结构，晶界处为两边晶粒的过度状态。晶界对多晶材料的物理、化学、力学等性质有着非常显著的影响。材料的强度和断裂等力学行为，如偏聚、晶界扩散，以及晶界处初始滑移位错的形核等，都受到晶界结构的显著影响。图 1.1 C
26、u 晶体中 9（221）=141.1的晶界结构模型 13晶界按晶粒间取向差的大小可分为小角度晶界（取向差小于 5 度）和大角度晶界（向差大于 10 度） 。小角度晶界通常有可分为扭转晶界和倾侧晶界两种类型，如图 1.2 和图 1.3 所示。重合位置点阵模型（CSL） 14：即在一些特殊位相的晶界处，有一些原子同属于两边晶粒的格点，且自身形成了超晶格点阵模型。图 1.2 为面心立方结构中的（001）面重位扭转晶界 15，即当旋转角 =36.9 度时所得的扭转界面，其中重合点阵的格点（即图 1.2 中的大黑点）的数目相当于总格点数目的 1/5，即为重合密度。设 为重合密度的倒数。 越小，即界面处重
27、合的密度越大，重合的原子数也就越多。湘潭大学硕士毕业论文3图 1.2 面心立方结构中的（001）面的扭转晶界 15图 1.3 为 38 度时，重位倾侧界面示意图 15。图中 AC 为阶，阶高为BC，阶长为 AB。显然，阶越小，即图 1.3 中 AC 越短，重合密度就越高， 也越小，阶中不接触的原子也越少，即晶界能也较小。图 1.3 38时，倾侧界面示意图 15相界为不同两相所形成的界面，相邻两相不仅取向不同，而且结构、成分也不同。按照原子在相界上排列不同，可把相界分为三种形式 16：（a）共格相界面：界面两边金属具有同种类型的晶格结构，如都为 FCC结构，且其晶格参数相差不大；（b）半共格界面
28、：界面两边金属，其晶格类型相同，但其晶格不匹配程度稍微大点；（c）非共格界面：界面两边金属具有不同的晶格结构，如 FCC/BCC 界面。湘潭大学硕士毕业论文4通常将失配度定义为一个量 ，= 2|d1- d2|/(d1 + d2)，这里 d1, d2 分别晶体 1 和晶体 2 中原子间的距离。两近邻平行失配位错间的距离 L=b/，这里 b为失配位错的 Burgers 矢量。在共格和半共格晶界或是相界面上，由于晶格不匹配，经弛豫后，在界面处会形成失配位错网络，而这些界面失配位错网络对界面的初始滑移位错的形核和发射起着决定性作用，从而决定着界面的结合强度。金属多层膜之所以具有其都特的性能，主要归因于
29、存在着界面。界面既可以阻碍位错运动，也是位错的发射源 17-21。位错和界面相互作用决定着金属多层膜机械性能。关于位错与界面的相互作用机理的研究就变得非常有价值和意义。1.3 晶体位错相关理论概述位错是指晶体中滑移部分与未滑移部分的分界线，是晶体中原子的局部不规则排列，为一维缺陷或线缺陷。晶体的塑性变形通过位错滑移来实现，若没有位错的运动，变形就不能发生，位错滑移通常在特定的滑移系上进行。其存在对材料的物理性能、化学性能，以及机械性能产生着巨大的影响。二十世纪初期，Volterra 等人 22在连续弹性力学中提出位错的概念。实际应用中的材料，其内部通常含有这样或那样的缺陷。缺陷的存在对材料各方
30、面性能会产生巨大的影响。如会降低材料的使用寿命、力学性能等等。但是有时候材料中存在缺陷又会增加其某方面的性能，如在半导体中掺进微量元素来提高其性能，加工增加位错来使金属材料强化等。因此，为了使材料更好的为人类服务，对材料中缺陷的研究就显得非常重要。晶体力学性质的微观理论和位错有着非常密切的联系。晶体的塑性变形通过滑移来完成，在不同的滑移系下进行，而晶体滑移借助滑移位错来实现。近年来，随着晶体力学性质的微观理论和实验的发展，进而促进了晶体缺陷相关理论的发展。根据局部滑移的方式不同，位错可分为刃型位错、螺型位错，以及混合位错，如图 1.4 所示。图 1.4(a)为刃型位错模型，从图中可以看出，有一
31、额外的半原子面终止在晶体中形成一条线缺陷，即位错线，图中用符号表示。由图1.4(a)可以看出位错线上部分原子受到压缩，而下部分受到拉伸，在位错线处形成局部应变场，导致位错线处晶格的对称性遭到破坏，该处相对完整晶体，势能会增加。当额外的半原子面在晶体的下半部分时，用标示。其多出的半原子面如同刀刃一样插入晶体中，故其形成的位错称为刃型位错。湘潭大学硕士毕业论文5(a) 刃型位错 23 (b) 螺型位错 24(c) 混合位错 24图 1.4 三种类型位错示意图图 1.4(b)为晶体中螺型位错的晶体外观。晶体上下两部分沿滑移面相互滑移了一个原子距离，滑移终止在晶体中。螺型位错也是一种线缺陷，如图 1.
32、4(b)中的 AB, 即为位错线，是已滑移区与未滑移区的分界。大部分晶体材料中的位错既不是纯粹的刃型位错也不是纯粹的螺型位错，他们往往是这两种类型都有，即为混合位错，如图 1.4(c)所示。通常用柏氏矢量来表示晶体滑移的量。下面以刃型位错为例介绍一下柏氏矢量。在图 1.5(a)中封闭回路 MNOPQ，而在图 1.5(b)中相应的线路是不封闭的，始点 M，终点 Q。我们定义：将终点联到始点的矢量（图中的 ） ，称为柏氏QM矢量。在图 1.4 三种类型位错示意图中，其中矢量 b 即代表柏氏矢量。湘潭大学硕士毕业论文6图 1.5 刃型位错中的柏氏矢量示意图 151.4 晶体界面的分子动力学研究现状在
33、过去十年里，对金属多层膜各方面性能的理解取得了巨大的进展。纳米尺度的金属多层膜在屈服应力、塑性、抗腐蚀性能等方面具有特殊的性能 6-11。这种特殊性能主要归因于多层膜中存在着界面，界面既可以阻碍位错运动，也是位错的发射源 17-21。获得精确工程界面的能力在当今新技术发展方面扮演着越来越重要的角色 25。位错和界面的相互作用对金属多层膜机械性能的影响依赖于界面的类型。过去几十年里，分子动力学方法已被广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学，以及医学等领域。随着高性能计算机的发展，原子模拟在材料性能预测与设计方面已成为一种有效的方法。已经有大量的研究者用分子动力学方法研究晶界和界面处位错的形核和发射过程 26-34。如，Tsc
