金属学报  2008, Vol. 44 Issue (9): 1025-1030

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纳米尺度摩擦过程的分子动力学模拟

刘小明;由小川;柳占立;庄茁

清华大学航天航空学院

Modeling of nanoscale friction using molecular dynamics simulation

Xiao-Ming Liu;Xiaochuan You;;Zhuo Zhuang

清华大学工程力学系

刘小明; 由小川; 柳占立; 庄茁 . 纳米尺度摩擦过程的分子动力学模拟[J]. 金属学报, 2008, 44(9): 1025-1030 .
, , , . Modeling of nanoscale friction using molecular dynamics simulation[J]. Acta Metall Sin, 2008, 44(9): 1025-1030 .

摘要 参考文献 相关文章 Metrics 全文: PDF(1695 KB)   摘要: 利用分子动力学方法模拟了刚性金刚石压头在Ni单晶体上的滑动过程, 讨论了压入深度对 摩擦力的影响(压入深度对滑动过程中压头下方的微结构演化(能否发射位错环)有很大影响). 结 合摩擦过程中的塑性行为和能量耗散机制, 解释了产生摩擦力锯齿形曲线的原因, 证实了位错的形 核及湮灭是黏--滑机制的原因之一. 不同滑动速度对摩擦力影响的模拟表明, 压头的滑动速度决定 了压头下方位错环的运动和演化形式: 在高速滑动下, 形成的位错环依次沿着滑移面很快向Ni单晶 基体内扩展; 在低速滑动下, 压头下方产生的位错环互相发生作用, 在材料的亚表面形成较低能量的 大位错环, 由此产生的塑性变形主要集中在材料的亚表面. 关键词 ： 纳米尺度,  摩擦,  分子动力学,  黏滑机制,  位错环     Abstract：The nano scratch process of a rigid diamond tip into Ni substrate has been studied by using molecular dynamcs simulation with EAM potential. Simulations are carried out to investigate the scratch depth effect on the friction force in the scrath process. Furthermore, microstructures around the tip are strongly depended on the scratch depth and dislocation loops can be formed with enough penetration depth. Also, present study reveals that stick-slip phenomenon results from dislocation emission and phonon dissipation. The sawtooth phenomena can be explained from the point that elastic energy stored in the stick process transforms to the dislocations beneath the tip, and then dissipates in the form of phonons, and finally forms the surface defects. Finally, effect of the sliding velocity is studied, which can be deduced from the simulation. The scratch velocity is the critical factor on the dislocation loop nucleation and evolution process. At the higher velocity, dislocation loop glide along slip lane downward to the bulk material. While at the lower velocity, dislocation loops beneath the tip will reaction with each other, and finnaly a large loop will be formed under the subsurface of the material. Plastic deformation will focus on the subsurface of the bulk material under low scratch velocity. Key words： Nanoscale    Friction    Molecular dymamics    Stick-slip mechanism    Dislocation loop 收稿日期: 2008-01-24      ZTFLH:  TG146.1   服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 刘小明 由小川 柳占立 庄茁 44.8K 链接本文: https://www.ams.org.cn/CN/      或      https://www.ams.org.cn/CN/Y2008/V44/I9/1025 [1]Johnson K L.Contact Mechanics.New York:Cambridge University Press,1985:5 [2]Ernest R.Friction and Wear of Materials.New York: John Wiley and Sons Inc,1995:65 [3]Guo Y,Zhuang Z,Chen Z,Li X Y.Int J Solids Struct, 2007;44:1180 [4]Binquan L,Robbins M O.Nature,2005;435:929 [5]Hirano M,Shinjo K,Kaneko R,Murata Y.Phys Rev Lett, 1997;78:1448 [6]Martin D,Gertjan S,Namboodiri P,Joost W M,Jennifer A,Henny W.Phys Rev Lett,2004;92:126101 [7]Socoliuc A,Gnecco E,Maier S,Pfeiffer O,Baratoff A, Bennewitz R,Meyer E.Science,2006;313:207 [8]Cannara R J,Brukman M J,Cimatu K,Sumant A U, Baldelli S,Carpick R W.Science,2007;318:780 [9]Persson N J.Sliding Friction.Berlin:Springer,2000:165 [10]Sang Y,Dube M,Grant M.Phys Rev Lett,2001;87: 174301 [11]Ohno K,Nitta T,Nakamura J,Natori A.J Vac Sci Tech- nol,2004;22B:2026 [12]Fusco C,Fasolino A.Phys Rev,2005;71B:045413 [13]Nakamura J,Wakunami S,Naori A.Phys Rev,2005;72B: 235415 [14]Tomlinson G A.Philos Mag,1929;7:905 [15]Komanduri R,Chandrasekaran N,Raft L M.Wear,2000; 242:60 [16]Li J,Van Vliet K J,Zhu T,Yip S,Suresh S.Nature,2002; 418:307 [17]Li Q K,Zhang Y,Chu W Y.Acta Metall Sin,2004;40: 1238 (李启楷，张跃，褚武扬．金属学报，2004；40：1238) [18]Mulliah D,Kenny S D,Smith R.Phys Rev,2004;69B: 205407 [19]Lee Y,Park J Y,Kim S Y,Jun S,Im S.Mech Mater, 2005;37:1035 [20]Smith R,Mulliah D,Kenn S D,McGee E,Richter A, Gruner M.Wear,2005;259:459 [21]Cho M H,Kim S J,Lim D S,Jang H.Wear,2005;259: 1392 [22]Cheng D,Yan Z J,Yan L.Thin Solid Films,2007;515: 3698 [23]Wang H L,Wang X X,Wang Y,Liang H Y.Acta Metall Sin,2007;43:259 (王海龙，王秀喜，王宇，梁海弋．金属学报，2007；43：259) [24]Pei Q X,Lu C,Lee H P.Comput Mater Sci,2007;41:177 [25]Li B,Clapp P C,Rifkin J A,Zhang X M.J Appl Phys, 2001;90:3090 [26]Wang H,Hu Y Z,Zou K,Leng Y S.Sci China,2001;31A: 261 (王慧，胡元中，邹鲲，冷永胜．中国科学，2001；31A：261) [27]Cheng D,Yan Z J,Yan L.Acta Metall Sin,2006;42:1149 (程东，严志军，严立．金属学报，2006；42：1149) [28]Xu Z M,Huang P.Acta Phys Sin,2007;55:2427 (许中明，黄平．物理学报，2007；55：2427) [29]Mishin Y,Farkas D,Mehl M J,Papaconstantopoulos D A.Phys Rev,1999;59B:393 [30]Fang T H,Weng C I.Nanotechnology,2000;11:148 [31]Berendsen H J,Postma J P M,van Gunsteren W V,Di Nola A,Haak J R.J Chem Phys,1984;81:3684 [32]Honeycutt J D,Andersen H C.J Phys Chem,1987;91: 4950 [33]Humphrey W,Dalke A,Schulten K.J Mol Graphics,1996; 14:33 [34]Nicola L,Bower A F,Kim K S,Needlemana A,Giessenb E V.J Mech Phys Solids,2007;5:1120 [35]Fivel M C,Robertson C F,Canova G R,Boulanger L. 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