《Materials & Design》：Nanoindentation study on the influence of nanovoid spatial distribution on local plastic deformation behavior
编辑推荐：
本研究针对镍基单晶材料在微纳加工中因内部纳米空隙缺陷影响加工精度和服役性能的关键问题，通过大规模分子动力学模拟系统开展了纳米压痕研究。研究人员构建了不同尺寸（1-5 nm）、位置（距表面1-5 nm）和温度（300-1200 K）的球形纳米空隙模型，深入探讨了纳米空隙几何参数对镍单晶局部塑性变形行为的影响规律。结果表明，纳米空隙通过作为位错汇显著降低材料硬度，其软化效应随空隙尺寸增大和距离表面接近而增强，并随温度升高而减弱。研究首次建立了基于纳米空隙几何特征的硬度退化经验公式，揭示了空隙-位错相互作用的空间耦合机制，为镍基材料在微纳尺度应用中的缺陷工程设计和性能优化提供了重要理论依据。
随着航空航天、能源电力等高端装备领域对微型化、集成化需求的不断提升，镍基单晶材料因其优异的高温强度和耐腐蚀性能，在微机电系统（MEMS）和微纳制造中扮演着日益重要的角色。然而，当加工尺度进入微纳级别时，材料内部固有的纳米尺度缺陷（如纳米空隙）会对加工精度、表面质量和构件服役性能产生决定性影响。这些纳米空隙可能源于材料制备过程，或在后续热机械载荷下形核长大，它们会显著改变材料的局部力学响应，但传统实验手段难以实时观测纳米尺度下的缺陷演化过程。因此，深入理解纳米空隙如何调控镍基单晶在微纳加工中的塑性变形行为，成为提升微纳制造质量和可靠性的关键科学问题。
为回答这一问题，研究团队在《Materials》上发表了最新成果，采用大规模分子动力学（MD）模拟方法，系统研究了球形纳米空隙对镍单晶纳米压痕响应的调控机制。通过精确控制纳米空隙的尺寸、空间分布和外部温度条件，揭示了纳米空隙与位错相互作用的基本规律，并建立了量化硬度变化的经验模型。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：采用嵌入原子法（EAM）势函数描述镍原子间相互作用，确保模拟的准确性；利用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，并通过OVITO软件进行原子结构可视化和数据分析；应用位错提取算法（DXA）识别和追踪位错演化过程；构建了包含边界层、热浴层和牛顿层的镍单晶基底模型，并采用球形虚拟压头进行纳米压痕模拟。
3.1 力学性能
通过分析载荷-位移（P-h）曲线发现，纳米空隙的存在显著降低了镍单晶的硬度。当空隙靠近表面（d=1 nm）或尺寸较大（r=5 nm）时，材料软化效应最为明显。在弹性阶段，除最浅层空隙模型外，其余模型的响应与Hertz接触理论吻合良好。屈服后，含空隙模型的载荷增长明显减缓，出现平台特征，表明塑性变形由空隙主导。研究还发现，温度升高会加剧材料软化，但同时减弱了纳米空隙对硬度的影响。
3.1.1 载荷-位移曲线
对比不同位置空隙模型的P-h曲线表明，空隙距离表面越近，对弹性阶段的扰动越大。当空隙顶点距表面仅1 nm时，有效弹性模量降低，屈服延迟。在塑性阶段，所有含空隙模型的载荷均低于完美晶体，且载荷下降程度与空隙尺寸和深度密切相关。
3.1.2 硬度
基于最大载荷计算的硬度值证实，纳米空隙导致硬度显著降低。当空隙半径从1 nm增至5 nm时，硬度下降约24%。研究建立了量化硬度与空隙几何参数、温度关系的经验公式：H = H0(T) - (A0+ A1(T-T0))·(r/D)β·e(-γd/D)，该模型与模拟数据高度吻合。
3.2 微观结构与位错演化
原子尺度分析揭示了纳米空隙影响塑性变形的微观机制。空隙作为位错汇，有效吸收压痕过程中产生的位错，降低位错密度。这种吸收能力随空隙尺寸增大而增强，随距离表面加深而减弱。
3.2.1 位错特征与演化形式
在完美晶体中，位错以剪切环形式在{111}滑移系上扩展。而含空隙模型中，位错倾向于朝向空隙方向传播，形成明显的方向性滑移。当压头接近空隙时，大量位错被空隙表面吸收，导致位错密度显著降低。
3.2.2 位错密度
定量分析表明，含空隙模型的位错密度普遍低于完美晶体。特别值得注意的是，在高温条件下（900 K和1200 K），位错密度-时间曲线出现双峰特征，表明温度升高增强了空隙的位错吸收能力。
3.3 局部塑性变形行为差异
压痕后的表面形貌分析显示，纳米空隙改善了加工表面质量，减少了表面粗糙度。然而，这种表面质量的提升是以更深的压痕深度为代价的。当空隙距离表面较近时，表面平整度最佳，但残余压痕也最深。
研究结论表明，纳米空隙通过吸收位错和改变局部应力场，显著影响镍单晶的纳米压痕响应。空隙的位置和尺寸共同决定了材料的软化程度和变形模式：浅层大尺寸空隙导致最显著的硬度降，但表面质量最佳；深层小尺寸空隙影响较小。温度升高虽然加剧整体材料软化，但削弱了空隙的相对影响。这些发现为理解缺陷工程在微纳加工中的作用提供了重要见解，对优化镍基材料的加工工艺和性能预测具有指导意义。
该研究的创新性在于建立了纳米空隙几何参数与宏观力学性能之间的定量关系，揭示了温度调控下空隙-位错相互作用的新机制。提出的经验模型不仅适用于镍单晶体系，还可能推广到其他面心立方金属材料，为微纳尺度材料设计提供了新思路。
