纳米硬度测量中尺寸效应的来源和机理

可靠测定和真实刻画材料在纳米尺度的力学行为是固体力学发展所面临的严峻挑战之一。它不仅要求精确的实验技术，更涉及基本的力学机理和复杂的数值模拟，尤其涉及离散原子体系中的现象和连续介质力学框架如何衔接的前沿物理力学问题。本申请项目以实验中发现的纳米硬度随压入深度变化的尺寸效应为研究对象，一方面借助连续介质力学和有限元方法，分析压头几何形状对测试误差的影响，确定宏观方法的适用下限，另一方面借助微观理论和拓宽分子模拟(MD/MST)的规模，分析材料内禀物理性质对纳米硬度尺寸效应的影响。基于以上结果，通过正分析，阐明纳米硬度尺寸效应的物理机理；通过反分析，发展从直接测量中提取可靠结果的分析方法。本研究不仅可深化对纳米压入测试原理的认识，完善该实验技术；还可以融合固体力学和物理力学理论和模拟方法，推动新理论和模拟方法的发展。因此，本申请项目乃是纳米力学的交叉性前沿焦点问题，具有重要的理论和实际意义。

本项目以实验中发现的纳米硬度随压入深度变化的尺寸效应为研究对象，一方面借助连续介质力学和有限元方法，分析压头几何形状对测试误差的影响，确定宏观方法的适用下限，另一方面借助微观理论和拓宽分子模拟(MD/MST)的规模，分析材料内禀物理性质对纳米硬度尺寸效应的影响。选取典型FCC结构的单晶铜，通过精细实验和大规模分子模拟，获得了可相互校核的可靠的浅压入深度(小于100nm)的压入硬度尺寸效应规律，硬度随压入深度的增加，呈现先增后减的趋势；压入硬度的峰值随压头尖端半径的增大而降低，而峰值对应的深度随压头尖端半径的增大而增大。通过对不同表面晶向和压头曲率半径的实验结果，结合考虑了表面晶向、表面粗糙度、表面层效应、压头曲率半径、温度的MD模拟，研究了各因素对压入硬度的影响大小和范围，阐明纳米硬度尺寸效应的物理机理。通过本研究，将纳米压入的可靠性范围拓展到了100nm以下，深化了纳米压入测试原理的认识，完善了该实验技术；通过融合固体力学和物理力学理论和模拟方法，推动了新理论和模拟方法的发展。相应的压入硬度研究结果，可以推广到其他FCC材料，如银、金、镍等。