问题：[题]

题目：纳米尺度异质界面相互作用的分子动力学模拟

研究纳米尺度不同物质界面之间的相互作用的研究是当今纳米力学的主要研究内容之一，它对了解纳米尺度材料的力学性能具有极其重要的意义。其中纳米压痕是异质界面相互作用的典型代表，它已成为检测纳米尺度材料力学性能的重要标准。但是纳米压痕实验中依然存在很多问题，比如接触面积的确定，严重的影响了纳米压痕的实验结果。扩散焊接也是两个不同物质界面相互作用的问题，它被广泛的应用于航空航天结构件的结合。目前对扩散焊的研究主要是从宏观实验上进行的，人们迫切需要了解扩散焊接的微观过程及其机理，但目前对扩散焊接直接原子层次的模拟研究尚没有见到。因此对纳米压痕和扩散焊接从纳米尺度进行研究具有重要意义。本文采用自行开发的分子动力学模拟系统比较系统地研究了纳米尺度不同界面之间的相互作用，研究内容主要包括纳米压痕和扩散焊接两部分。主要的研究成果如下：第一部分：纳米压痕 为了得到纳米压痕准确的接触面积，我们提出了“接触原子”方法。“接触原子”方法具有明确的物理意义，并且不包含其它的一些假设，用它来计算接触面积的时候，不依赖于压痕深度以及基体变形机制（“挤出”或者“下陷”）。和传统的方法相比，接触原子方法能更加精确的计算任意压痕深度的接触面积。 模拟发现在极浅的纳米压痕情况下，传统的纳米硬度随深度变化表现出很大的涨落，不适合于用来分析各种因素对纳米压痕的影响。于是我们提出了新的“积分硬度”概念，并推导了传统的纳米硬度和积分硬度之间的关系。由于积分硬度是纳米硬度对压入体积的平均值，因此它能很大程度上去除材料不连续变形以及原子无规则热运动的影响，更有利于分析其它因素对纳米压痕的影响。 分析了温度对纳米压痕的影响，随着温度升高，由纳米压痕得到的材料硬度（传统和积分硬度）和模量都随之降低，而塑性功和总功之比Wp/Wt, 硬度和约化模量之比H/Er 以及残余压痕深度与最大压痕深度之比 hf/hmax都和温度无关，基本保持不变。 加载速度对纳米压痕有重要影响，随着加载速度降低，相同压痕深度处的载荷降低，得到的材料硬度也相应降低。当加载速率小于1.5m/s的时候，同样压痕深度时刻的载荷和硬度值基本不再随着加载速率降低而发生变化，表明分子动力学模拟当加载速率小于1.5m/s时的纳米压痕可认为是准静态过程，此时加载速率不再影响纳米压痕，这为今后的纳米压痕准静态模拟提供一个临界加载速率。 三个典型晶面的纳米压痕模拟表明，单晶铜具有明显的各向异性，其中(111)晶面的硬度要明显低于(100)和(110)晶面。不同晶面压痕时表面的“挤出”斑图也明显不同，(100)晶面“挤出”斑图沿对角线方向分布，具有很强的各向异性；(110)晶面的“挤出”斑图围绕压头在四周分布，各向异性不明显；而在我们的模拟中，(111)晶面压痕时表面几乎没有“挤出”原子。 较深纳米压痕模拟表明，材料硬度随压痕深度变化分三个阶段，首先压痕起始阶段材料硬度由零迅速上升到一最大值；然后材料从最大硬度值以锯齿状形式降低，也即材料硬度表现出尺度效应。最后材料硬度达到一稳定值，不再随压痕深度变化。在弹性变形情况下，随着压头曲率半径的增大，同样压痕深度得到的材料硬度要偏低；在压痕深度较深，材料变形以塑性变形为主导的情况下，随着压头曲率半径的增大，同样压痕深度处得到的材料硬度要偏高。第二部分：扩散焊接 模拟了铜银之间的扩散焊，模拟发现扩散主要是铜原子扩散到银里面，在铜银界面处形成一个过渡层，在高温高压下，界面层将变成非晶结构。模拟表明压强在铜银扩散焊中起着重要作用，当应力小于100MPa时，在界面很难观察到原子的扩散；扩散焊形成的过渡层厚度取决于应力，应力越大，过渡层厚度越大。 通常情况下，铜银扩散焊冷却到室温时，过渡层由非晶结构转变为面心立方结构，转变温度取决于冷却速率，冷却速率越高，转变温度越低。只有当冷却速率非常高时才会形成非晶结构的过渡层。 温度是扩散焊接中最为关键的因素，研究了温度对铜铝扩散焊的影响，当温度低于600K时，在铜铝间很难观察到明显的扩散。在相同的保温时间内，温度越高，形成的过渡层厚度越厚。在温度较低时，过渡层厚度随时间呈明显的阶梯状变化，温度升高时，这种阶梯状变化变得不明显。 扩散焊接主要分三个阶段进行：首先在压力作用下粗糙表面发生一定的塑性变形，增大焊件之间的接触面积；升温过程中，粗糙表面发生更加严重的塑性变形，两个试样完全接触，材料表面的塑性变形主要在这个阶段进行；最后保温条件下进行扩散，形成一定厚度的过渡层。 为了研究扩散焊后铜铝的力学性能，分别模拟了单晶铜、单晶铝、理想结合铜铝和扩散焊铜铝的单轴拉伸。模拟显示扩散焊后的铜铝具有较好的力学性能，抗拉强度达到理想结合铜铝抗拉强度的88%左右。模拟还显示，单晶铜和单晶铝拉伸变形主要为滑移，材料表面出现滑移带；扩散焊铜铝拉伸时铜铝部分只出现少量滑移，滑移带不能穿过过渡层，从而导致铝部分出现加工硬化。过渡层在拉伸过程中结构变得无序化。