應(yīng)用多尺度方法研究金屬薄膜-基體結(jié)構(gòu)中的缺陷在沖擊載荷條件下的變化規(guī)律和力學行為。多尺度方法結(jié)合了分子動力學和有限元方法，分子動力學方法用于納米薄膜中的局部缺陷區(qū)域，有限元方法用于整個膜-基結(jié)構(gòu)，微/宏觀尺度之間的握手區(qū)通過FEAt 方法進行連接。模擬計算既包括了系統(tǒng)宏觀尺度上的模型位移、應(yīng)力場等，又包括了微觀尺度上原子位置坐標、缺陷附近原子結(jié)構(gòu)變化等。模擬結(jié)果表明: 在沖擊載荷作用下，沖擊波通過基體傳遞到薄膜；在宏觀上，體現(xiàn)為膜-基結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化；在微觀上，缺陷附近原子發(fā)生濺射�？梢娪捎跊_擊作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中和缺陷處原子濺射導致膜-基結(jié)構(gòu)中的微缺陷進一步擴大，造成薄膜失效。

　　隨著鍍膜工藝的發(fā)展，金屬薄膜的厚度已由數(shù)微米發(fā)展到數(shù)納米的超薄膜，它兼具傳統(tǒng)復(fù)合材料和現(xiàn)代納米材料二者的優(yōu)越性。納米薄膜可以改善一些機械零部件的表面性能，以減少振動，降低噪聲，減小摩擦，延長壽命。但此類金屬薄膜在制備過程中，經(jīng)常會產(chǎn)生一些微裂紋，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認為這使得薄膜的力學性能受到極大的影響。近年來，在單一尺度下的金屬薄膜上的微裂紋研究，已引起了研究人員的一定關(guān)注；但對于多尺度下的金屬薄膜缺陷鮮有研究。為此，文中應(yīng)用多尺度方法對帶有表面缺陷的膜-基結(jié)構(gòu)進行模擬研究，旨在多角度地揭示金屬薄膜失效機理。

1、多尺度仿真基本原理

　　對于多尺度問題，在原子區(qū)及連續(xù)介質(zhì)區(qū)的計算方法都已相對成熟，主要難題集中在如何處理原子模型和連續(xù)介質(zhì)的握手區(qū)上，文中采用FEAt 方法對握手區(qū)進行仿真。在FEAt 方法中，整個模型劃分成1、2、3、4 四個部分，如圖1 所示。

圖1 多尺度區(qū)域劃分

2、多尺度模擬計算

　　2.1、多尺度模型建立

　　在不銹鋼基體上鍍100 nm 厚銅膜，膜-基結(jié)構(gòu)材料常數(shù)見表1，薄膜表面帶有寬10 nm，深50 nm表面微裂紋。建立多尺度模型如圖2 所示: 整個模型分為有限元區(qū)( 基體部分) 、握手區(qū)( 薄膜和基體結(jié)合部分) 、分子動力學區(qū)( 薄膜部分) 。細劃握手區(qū)有限單元體長度，實現(xiàn)節(jié)點與原子一一對應(yīng)，即有限單元體的長度等于原子晶格常數(shù)。

表1 膜-基結(jié)構(gòu)材料常數(shù)

圖2 多尺度模型

　　2.2、模擬計算過程

　　對基體左右兩端施加UY 約束，底面加載10 kN外力沖擊，作用時間為1.0 × 10 ^-8 s；有限元模擬與分子動力學模擬時間步長比為1∶ 1000；在握手區(qū)，有限元模擬計算求得位移增量加權(quán)平均，其值代入到應(yīng)用FEAt 方法自編程序中，求得分子動力學邊界條件( 即邊界原子以1000 m/s 向薄膜內(nèi)部沖擊) 。

4、結(jié)論

　　以上通過有限元軟件、分子動力學軟件結(jié)合多尺度分析方法對帶有表面微裂紋的金屬膜-基結(jié)構(gòu)進行分析，得出如下結(jié)論:

　　(1) 應(yīng)用有限元軟件對不銹鋼基體部分宏觀應(yīng)力分析，可見基體宏觀應(yīng)力由下自上，由兩邊向中間傳遞；并隨著載荷時間的增加，微裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中。

　　(2) 通過宏觀應(yīng)力云圖可見薄膜與基體之間應(yīng)力變化不連續(xù)，以至薄膜在沖擊作用下有脫落可能。

　　(3) 在微觀尺度上，X、Y、Z 三個方向原子平均應(yīng)力呈波動性變化；同時在沖擊作用下，原子被壓縮，繼而微裂紋尖端出現(xiàn)空位；空位逐漸增加并向外運動，使部分原子發(fā)生濺射，最終微裂紋擴展。