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纳米压痕条件下典型红外单晶材料的力学行为研究毕业论文
Classified Index: O765
U.D.C: 539.4
Dissertation for the Master Degree in Engineering
STUDY ON MECHANICAL BEHAVIOURS OF
TYPICAL INFRARED MONOCRYSTALLINE
MATERIALS UNDER NANOINDENTATION
Candidate : Runze Yan
Supervisor : Prof. Mingfu Zhang
Academic Degree Applied for : Master of Engineering
Speciality : Materials Science
Affiliation : School of Astronautics
Date of Defence : July, 2013
Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology
摘 要
摘 要
目前,航空事业等国防工业正在不断发展,这使红外应用技术以及与其相
适应的红外材料也获得了更加广泛的应用空间。由于力学性能是评估设计材料
体系的重要指标之一,对红外光学材料力学性能的研究也是尤为重要的。
本文通过探究立方晶系红外单晶材料Si、MgO 以及三斜晶系的红外单晶材
料 Al O 在纳米压痕条件下的弹性形变,弹塑性转化,塑性变形以及断裂等力
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学行为,着重讨论在纳米压痕试验中以上力学行为的影响因素,各单晶材料在
测试中体现的各向异性的来源,以及不同晶体结构单晶材料在压入条件下表现
出的力学性能差异的原因。旨在为所选红外单晶材料的服役和使用提供有力的
理论支持,进而对其它红外窗口材料的使用起到借鉴作用。
分别在单晶Si(100)、Si(110) 、Si(111) ,MgO(100) ,以及Al O (0001) 晶面
2 3
进行了纳米压痕试验,测量了硬度和弹性模量等力学参数。并对压痕的表面形
貌进行了表征,对压痕微区成分的结构变化进行了分析。所选单晶材料均为脆
性材料,但是在压头尖端高压的作用下均出现塑性变形。由压痕附近各点的
Raman 光谱可知,在压头的作用下,压痕区域存在结构变化。所测试的单晶 Si
三个晶面的微观力学性能具有各向异性。
使用ABAQUS 有限元软件对所选材料的纳米压痕试验加载、卸载过程进行
了模拟。所讨论的影响因素,包括压头的几何形状、材料本身性能等。弹性恢
复程度与材料的弹性模量和屈服强度的比值E/σy 有关,E/σy 越大,卸载后材料
的凸起越明显。模拟结果与压入试验的差异可能是由压头尖端的钝化产生的几
何形状改变以及压头与样品的接触面积改变所引起的。单晶材料在纳米压痕实
验的模拟中也表现出各向异性,与实验结果一致。
利用Materials Studio 软件对所选材料的力学参数进行了第一性原理计算。
计算出单晶材料的弹性常数(C ) ,体积弹性模量B ,剪切模量G ,杨氏模量E ,
ij
以及泊松比 v ,并对材料的能态结构、电子密度等进行了分析。计算所得单晶
Si、单晶MgO 以及蓝宝石单晶的各向异性系数A 分别为1.527、1.540 以及0.872 ,
这表明材料具有极强的各向异性。且材料的B/G 值均小于 1.75,故而会出现脆
性断裂的现象。
关键词:红外单晶材料;纳米压痕;有限元模拟;第一性原理
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Abstract
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