Page 62 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 梁桂强, 等: 半共格界面铜镍双层膜力学差异机制纳观探析 651

28 30
(a) Cu (b)
Ni
Ni/Cu 25
24 Cu/Ni 20 17.3 20.95 21.19
Hardness/GPa 20 Average hardness/GPa 15 16.22

16 10
5
12 0
0 1 2 4 Cu Ni/Cu Cu/Ni Ni
Depth/nm

Fig. 3 Comparison of mechanical properties for four models: (a) comparison of hardness of four models; (b) mean hardness for four
models
图 3 四种模型的力学性质对比：(a) 硬度与压深关系; (b) 四种模型的硬度平均值

1 200 1 200
(a) (b)
900 900
Force/nN 600 Force/nN 600

300 300 Cu
7 a Ni
10 a Ni/Cu
0 13 a 0 Cu/Ni

0 1 2 3 4 0 1 2 3 4
Depth/nm Depth/nm

Fig. 4 (a) Load vs depth for Cu based samples with different Ni film thickness; (b) Load vs depth for four models
图 4 (a)不同Ni膜厚度的Cu基样品载荷与压深关系；(b)四种模型的载荷与压深曲线

单晶镍受载诱导的位错演化特征；另一方面是半共格 硬度高于单晶铜3.89 GPa；文献[3]中采用试验法测出
界面失配位错网与上层膜塑性变形的可动位错间耦 单晶镍硬度比单晶铜硬度高3.4 GPa，表明MD计算结
合反应. 因此，先对共格区域单晶Cu和单晶Ni进行微 果与试验结果获得一致性，间接验证了模拟设置和势
结构分析，分别取压深h为0.5、1.5和3 nm的微结构展 函数选取是可靠的. 此外，随着压痕持续进行，单晶
示(见图5). 从图5可知，受载时，单晶铜和单晶镍都发 Ni也形成棱柱型位错环结构[见图5(f)虚线]，该位错环
生不同程度塑性变形，出现密排六方结构，且该位错 特征演化结构见图6(b). 从图3~4可知，单晶Cu和单晶
结构数随压深增加而增多. 采用Dislocation Extraction Ni的载荷与硬度曲线，皆随压深增加而近似线性振荡
[27]
Algorithm (简称DXA)法 识别压痕中分位错线，该方 趋势递增，其主因是单晶金属内的塑性变形位错环的
法能有效描述压痕中的伯氏矢量Shockley分位错(见 不断增殖繁衍和位错间耦合反应导致.

图5绿色线). 从图5知，随着压痕持续进行，图5中分位 2.2 半共格界面力学差异机理
错线会沿伯氏矢量方向增殖繁衍(见图5绿色线)，并在 为探索半共格界面上失配位错网与上层膜塑性
增殖运动中，相邻位错间会产生排斥与吸引，进而演 变形的位错间相互作用，首先需了解铜镍双层膜两种
化出新位错构型. 单晶Cu会形成棱柱型位错环[见图 不同半共格界面结构特征(见图7). 图7展示了半共格

5(c)虚线]. 整个压痕中，位错环微结构演化详见图6(a). 界面处有三角形堆垛层错区出现(图7红色区)，且与非
图6(a)表明棱柱型位错环能稳定一定时间，获得与文 位错区(见图7空白区)交替排列，堆垛层错边缘会形成
献[18]一致的结论. 对比图5(a, c, e)和图5(b, d, f)可明 Shockley分位错(见图7绿色线). 从图7知：铜镍双层膜
显察到，单晶镍抗塑性变形能力较单晶铜强，以致其 半共格界面结构的Shockley分位错可交汇形成“钉轧”
硬度明显高于单晶Cu[见图3(b)]，具体差值为单晶镍 效果，构成界面失配位错网状结构[见图7(a~b)]. 通过