纳米级粗糙峰法向接触特性研究.pdf

为了突破有限元法在微观尺度下界面接触特性分析中的局限性,采用分子动力学方法研究纳米级粗糙峰的法向接触行为。利用大规模原子/分子并行模拟器(L AMMP S)建立3种不同半径的C u单粗糙峰与金刚石刚性平面法向接触的分子动力学模型,从原子尺度模拟纳米级粗糙峰法向接触动态过程,分析法向接触力、实际接触面积、接触应力等参量的动态变化特性。结果表明:粗糙峰半径一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积与接触变形率正相关;接触变形率一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积均随粗糙峰半径的增大而递增;不同于宏观接触行为,由于原子间相互作用力,纳米级粗糙峰在法向初始接触阶段出现负的法向接触力以及非零的实际接触面积;粗糙峰的接触变形过程伴随着原子位错以及应力集中。关键词:纳米级粗糙峰;单粗糙峰;分子动力学;法向接触特性中图分类号:O 3 1 3.5;TH 1 1 7.1 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 4-3 6 4 4(2 0 2 3)0 4-0 2 8 1-0 8 机械零部件的相互连接形成接触界面,其接触特性对于力和扭矩的传递至关重要1-2。基于连续介质力学的接触理论可以解释宏观尺度上的界面接触问题,但无法用于微观尺度的界面接触行为分析。微观尺度下的接触界面不是光滑的,而是 由具有不同 高度和曲率 半径的粗糙 峰构成3。在法向负载作用下,粗糙峰之间会先接触,导致实际的接触面积远小于接触界面的面积。研究粗糙峰的法向接触特性能够揭示微观与宏观接触行为的差异性,从而为机械连接的可靠性分析提供理论依据。单粗糙峰的界面接触行为分析是揭示整个粗糙界面接触特性的基础,相关研究成果有不少。J o h n s o n等4对经典H e r t z接触理论进行了修正,得出 两 弹 性 球 体 的 黏 着 接 触 模 型(J K R模型)。C h a n g等5将单微凸体接触变形区域分为弹性区和塑性区,将接触过程定义为弹性接触和塑性接触两个阶段,并提出了C E B接 触模型。K o g u t等6基于有限元方法提出了粗糙表面的弹塑性接触模型(K E模型)。A b d o7考虑弹性、塑性等多因素改进了单粗糙峰的弹塑性接触模型,并基于极限应力概念对粗糙表面进行有限元分析。J a c k s o n等8-9考虑了塑性硬化,并依此建立了 单一粗糙表面接触模型(J G模型)。M e g a l i n-g a m等1 0基于单粗糙峰的高斯分布接触模型推导出弹性、弹塑性和全塑性状态下接触载荷与接触面积的经验表达式。分子动力学方法突破了有限元法的尺度局限性,被广泛用于微纳尺度的接触特性研究。L u a n等1 1建立了球凸面接触的分子动力学模型,研究法向负载和黏着度对粗糙峰接触特性的影响规律,探讨了连续介质力学理论在纳米尺度的适用性。S i等1 2-1 3模拟多粗糙峰的滑动接触过程,分析了粗糙峰数量、曲率对黏附力及摩擦力的影响规律。G u1 4等基于单粗糙峰的法向加载、卸载过程,揭示出纳米尺度下C u-C u引线键合的微焊形成和断裂机理。C h e o n g等1 5分析了粗糙峰的位置变化对纳米级表面接触磨损的影响。C h a等1 6研究了单粗糙峰及其在两个表面接触时的变形。J a c o b s等1 7采用分子动力学方法,结合仿真和实验研究了原子级粗糙度对碳基材料与类金刚石(D L C)或超纳米晶金刚石的纳米级微凸体之间黏附的影响。目前,对纳米尺度下粗糙峰接触参量变化特性的研究较少。本文基于分子动力学原理建立纳米级单粗糙峰的法向接触模型,模拟不同半径的单粗糙峰与刚性平面的法向接触变形过程,研究法向接触力、接触应力、实际接触面积、接触变形武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期量等接触参量的动态变化特性,揭示纳米级粗糙峰的法向接触变形机理,以期为微纳尺度下的界面接触行为分析提供理论参考。1 单粗糙峰法向接触的分子动力学模型采 用 大 规 模 原 子/分 子 并 行 模 拟 器(L AMMP S)进行编程,建立单粗糙峰与刚性平面的法向接触力学模型,如图1所示。单粗糙峰法向接触模型的基本尺寸为1 0n m1 0n m8.5n m。模型由上下两部分构成:上半部分为刚性平面,即刚性层,由晶格间距为0.3 5 7n m的金刚石立方晶胞C原子组成;下半部分为单粗糙峰,包含牛顿 层、恒 温 层 和 边 界 层,均 由 晶 格 间 距 为0.3 6 1 5n m的面心立方晶胞C u原子构成。刚性层、恒温层以及边界层均为规则基体,且z向高度均为1n m,牛顿层则是半径为R的半球体。通过改变R值建立不同半径的单粗糙峰法向接触模型,如图2所示,其中从左至右,粗糙峰半径R依次为2、3、4n m,相关参数在表1中列出。图1 单粗糙峰法向接触的分子动力学模型F i g.1M o l e c u l a rd y n a m i c sm o d e l o f s i n g l e-a s p e r i t yn o r m a l c o n t a c t图2 不同半径的单粗糙峰法向接触模型F i g.2S i n g l e-a s p e r i t yn o r m a l c o n t a c tm o d e l sw i t hd i f f e r e n t r a d i i表1 不同半径的单粗糙峰法向接触模型相关参数T a b l e1R e l e v a n tp a r a m e t e r so f s i n g l e-a s p e r i t yn o r m a l c o n-t a c tm o d e l sw i t hd i f f e r e n t r a d i iR/n m牛顿层原子数/个总原子数/个213 2 81 75 3 0346 0 02 34 1 641 10 1 82 98 3 4 图3所示为模拟体系的条件设置。为消除因计算规模引起的边界效应,将x、y向设置为周期性边界条件,将z向设置为非周期性边界条件;图3 模拟体系的条件设置F i g.3C o n d i t i o ns e t t i n g f o r s i m u l a t i o ns y s t e m采用速度标定法将恒温层温度控制为3 0 0K;通过正则系综(NV E)约束模拟体系以保证系统的稳态;模拟时间步长为0.0 0 5p s。刚性层被视为刚性体,刚性层内部C原子间的相互作用力可忽略;Em b e d d e dA t o m M e t h o d(E AM)势通常用于描述金属原子间的相互作用力,因而下半部分C u原子间相互作用力选用C u_u 3.e a m势描述;法向接触过 程 中,接 触 界 面 原 子 间 相 互 作 用 力 为M o r s e势,其表达式为(d)=De(-2(d-d0)-e(-(d-d0)(1)式中:D为结合能参数,为势能曲线梯度系数,d为原子间瞬时距离,d0为截止距离。根据洛伦 兹-贝塞洛定律 确定接触界 面的M o r s e势参数:DC-C u=(DCDC u)1/2(2)C-C u=(CC u)1/2(3)dC-C u=(dCdC u)1/2(4)由式(2)式(4)得到M o r s e势函数参数值:DC-C u=0.0 8 7e V,C-C u=0.5 1 4n m,dC-C u=0.2 0 5n m。2822 0 2 3年第4期涂福泉,等:纳米级粗糙峰法向接触特性研究 法向接触前,单粗糙峰法向接触的分子动力学模型需进行充分弛豫,以确保模拟系统处于平衡状态,整个弛豫阶段持续2 0p s。在充分弛豫阶段,刚性层以V=1 0m/s的速度沿z轴负向移动。随着刚性层位移Xz的增大,刚性层与牛顿层开始接触,即单粗糙峰与刚性平面间发生接触,如图4所示。图4 单粗糙峰法向接触过程F i g.4N o r m a l c o n t a c tp r o c e s so f s i n g l ea s p e r i t y 用接触变形率表示接触过程中粗糙峰的变形程度:=u/R(5)式中:u为等效接触变形量。用面积接触率S表示粗糙峰与刚性基板的接触程度:S=Sr/S0(6)式中:Sr为实际接触面积;S0为名义几何面积,这里定义为粗糙峰底面积。法向接触力FN实质为接触界面原子间相互作用力的法向分量,故将刚性层与牛顿层间相互作用力F的z向分量定义为单粗糙峰与刚性平面的法向接触力FN。2 纳米级单粗糙峰法向接触特性分析2.1 法向接触力通过模拟不同半径的单粗糙峰法向接触过程,得到法向接触力FN随接触变形率的变化曲线,如图5所示。可以看出,粗糙峰半径R相同时,法向接触力FN随接触变形率的增加总体呈增大趋势,其中,粗糙峰半径R=4n m时,FN随的变化率最大。由于粗糙峰与刚性平面间的相互接触表现为接触原子间相互作用力F,接触变形程度加大时,粗糙峰与刚性平面间的接触原子数量随之增多,故而法向接触力FN也增大。另外,接触变形程度相同时,法向接触力FN与粗糙峰半径R正相关。这是因为相同时,接触原子数量与粗糙峰半径R正相关,致使法向接触力FN也随粗糙峰半径R的增大而增大。图6所示为不同半径粗糙峰的法向接触力FN随接触变形量u的变化情况,可以看出,FN图5 法向接触力FN随接触变形率的变化F i g.5V a r i a t i o no fn o r m a l c o n t a c t f o r c eFNw i t hc o n t a c t d e-f o r m a t i o nr a t e(a)R=2n m(b)R=3n m(c)R=4n m图6 法向接触力FN随接触变形量u的变化F i g.6V a r i a t i o no fn o r m a l c o n t a c t f o r c eFNw i t hc o n t a c t d e-f o r m a t i o nu382武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期与u总体呈非线性正相关。经典H e r t z接触理论揭示了弹性接触阶段法向接触力与接触变形量的变化关系,根据该理论有如下公式成立:P=ERr1/2(7)式中:P为接触载荷,r为接触半径,E为有效弹性模量。结合H e r t z接触理论构建曲线y=k x3/2,然后与通过分子动力学模拟得到的FN-u变化曲线进行对比,来验证本文建立的纳米级单粗糙峰法向接触模型的有效性。基于最小二乘法进行曲线拟合(结果见图6),拟合参数如表2所示。可以看到,随着粗糙峰半径R由2n m增至4n m,系数k值也在增大,并且3个拟合曲线的决定系数较大(0.5 50.9 3),表明分子动力学模拟结果与H e r t z接触理论公式的重合度较高,证明所建立的纳米级单粗糙峰法向接触模型是有效的。表2 FN-u曲线拟合参数T a b l e2F i t t i n gp a r a m e t e r so fFN-uc u r v e sR/n mk决定系数27 7.4 10.5 531 0 1.9 00.7 841 4 2.1 40.9 3 不同于宏观接触行为,纳米尺度下初始法向接触力FN出现负值(见图5、图6小方框处),例如在00.0 5区间变化时,法向接触力FN在零点附近波动。原子间相互作用力为原子斥力和原子引力的共同作用,原子间距直接影响原子间相互作用力,原子斥力与原子引力均随原子间距减小而增大,且原子斥力变化速率更大。单粗糙峰在初始接触状态下,接触原子引力作用更加明显,这时表现为负的法向接触力;接触变形程度较大时,接触原子斥力作用更加明显,致使法向接触力FN为正;粗糙峰半径较大时,法向接触力的变化愈加明显,而接触原子的引力相对斥力变化较小,致使初始法向接触力为负值的区域较少。此外,原子热运动直接影响原子间距,导致了法向接触力FN的波动。2.2 接触变形下面通过分析单粗糙峰的应力和晶体结构变化来研究其接触变形机理。法向接触变形过程中,不同半径单粗糙峰的法向接触应力H分布如图7所示。随着接触变形程度的加深,接触区域应力值不断增大,应力集中主要发生在接触体内部的中心区域,且应力值由内向外递减。原子间距与接触变形程度负相关,这就意味着,随着接触变形率的增大,原子间距会减小,原子间作用力会增大,由于原子斥力作用变化速率相对更大,因此表现出正的接触应力。中心区域的原子间相互作用相对于边缘区域表现得更加明显,因而中图7 不同半径单粗糙峰的法向接触应力分布F i g.7N o r m a l c o n t a c t s t r e s sd i s t r i b u t i o no f s i n g l ea s p e r i t i e sw i t hd i f f e r e n t r a d i i4822 0 2 3年第4期涂福泉,等:纳米级粗糙峰法向接触特性研究心区域接触应力相对较高。粗糙峰半径R较大时,粗糙峰内部原子相互作用力也较大,表现为更高的接触应力。法向接触过程中的原子结构演变如图8所示,可以看出,在接触变形过程中,粗糙峰的原子结构由面心立方晶格结构(F C C)向体心立方晶格结构(B C C)、六方密堆积晶体结构(HC P)、非晶结构(AMO)演变,其中面心立方结构原子所占比例如图9所示。由图9可知,面心立方结构原子比例减小速率与粗糙峰半径R正相关,与图7中接触应力分布的变化相一致,这是因为原子结构受原子间距影响,即原子发生了位错。图8 不同半径单粗糙峰在法向接触过程中的原子结构演变F i g.8A t o m i c s t r u c t u r ee v o l u t i o no f s i n g l ea s p e r i t i e sw i t hd i f f e r e n t r a d i i d u r i n gn o r m a l c o n t a c tp r o c e s s图9 法向接触过程中面心立方晶格结构原子占比的变化F i g.9V a r i a t i o no f t h ep r o p o r t i o no fF C Ca t o m sd u r i n gn o r-m a l c o n t a c tp r o c e s s 图1 0所示为接触变形过程中不同半径单粗糙峰的原子结构变化情况。随着变形程度的增加,F C C结 构 的 原 子 数 量 非 线 性 减 少,B C C、HC P、AMO结构的原子数量非线性增加。这是因为接触变形过程中,原子间相互作用力改变了原子的初始排布,致使其结构发生位错,同时,原子热运动效应导致原子结构变化出现波动。2.3 实际接触面积接触面积是反映粗糙峰法向接触特性变化的重要参量,单粗糙峰在法向接触过程中接触面积的变化情况如图1 1所示。图1 1(a)揭示了实际接触面积Sr随接触变形率的变化规律:粗糙峰半径R不变时,实际接触面积Sr随接触变形率近似线性增长;接触变形率不变时,实际接触面积Sr与粗糙峰半径R正相关。面积接触率S随接触变形率的变化规律如图1 1(b)所示,粗糙峰半径R不变时,面积接触率S与实际接触面积Sr具有相同的变化趋势,即随接触变形率近似线性增长;粗糙峰半径R由2n m增至4n m时,面积接触率S的变化曲线下移。因为实际接触面积(a)R=2n m582武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期(b)R=3n m(c)R=4n m图1 0 不同半径单粗糙峰在法向接触过程中的原子结构变化F i g.1 0A t o m i cs t r u c t u r ev a r i a t i o no fs i n g l ea s p e r i t i e sw i t hd i f f e r e n t r a d i i d u r i n gn o r m a l c o n t a c tp r o c e s sSr、面积接触率S与接触原子数量正相关,接触变形程度加深时,接触原子数量增大,实际接触面积Sr、面积接触率S也随之增大,而接触变形程度相同时,接触原子数量随粗糙峰半径R的增大而增多,法向接触过程中的实际接触面积Sr也越来越大。面积接触率S受粗糙峰半径R的影响,这是因为粗糙峰内部原子间相互作用力与粗糙峰半径R正相关,即粗糙峰半径R越大时,原子间扩散作用愈加微弱,粗糙峰抵抗形变能力越强,面积接触率S随之减小。(a)Sr-变化曲线(b)S-变化曲线图1 1 不同半径单粗糙峰在法向接触过程中的接触面积变化F i g.1 1C o n t a c ta r e av a r i a t i o no fs i n g l ea s p e r i t i e sw i t hd i f-f e r e n t r a d i i d u r i n gn o r m a l c o n t a c tp r o c e s s 与连续介质力学理论方法不同,采用分子动力学方法进行分析时,单粗糙峰在法向接触的初始阶段,其接触面积变化曲线的起始点并非零点,见图1 1小方框处。参照文献1 8,通过原子间距阈值0.5n m来定义原子接触,即原子间距小于0.5n m时发生接触,反之则未发生接触。当接触变形率=0时,虽然未发生如宏观物体那样的直接接触,但牛顿层原子与刚性层原子的间距可能已经小于0.5n m,从微观来看已发生原子接触,故此时实际接触面积Sr并不为零。3 结论本文基于分子动力学原理构建了半径分别为2、3、4n m的纳米级单粗糙峰与刚性平面的法向接触模型,从原子层面揭示纳米级粗糙峰法向动态接触过程。分子动力学模型的法向接触力模拟结果与经典H e r t z接触理论拟合度较高,验证了所建模型的有效性。研究获得的结论如下:(1)粗糙峰半径R一定时,法向接触力FN、接触应力H、实际接触面积Sr与接触变形率6822 0 2 3年第4期涂福泉,等:纳米级粗糙峰法向接触特性研究正相关;接触变形程度相同时,法向接触力FN、接触应力H、实际接触面积Sr等接触参量随粗糙峰半径R的增大而增大,这与微米级粗糙界面的接触特性一致。(2)粗糙峰半径R一定时,面积接触率S与接触变形率呈线性关系;接触变形率相同时,由于原子扩散以及原子间相互作用力,面积接触率与粗糙峰半径负相关。(3)不同于宏观接触行为,在纳米级单粗糙峰法向接触的初始阶段,界面接触原子斥力与原子引力的共同作用导致负的法向接触力FN,并且粗糙峰原子与刚性层原子间距小于阈值,使得实际接触面积并不为零。(4)法向接触变形过程中,接触体内部发生原子位错,原子结构随之转变,并伴随着应力集中。参考文献1 孙宝财,丁雪兴,陈金林,等.干气密封摩擦界面法向接触刚度分形模型J.振动与冲击,2 0 1 9,3 8(1 8):2 4 8-2 5 5.2 王雯,吴洁蓓,傅卫平,等.机械结合面法向动态接触刚度理论模型与试验研究J.机械工程学报,2 0 1 6,5 2(1 3):1 2 3-1 3 0.3 P a nWJ,L iXP,W a n gX.C o n t a c tm e c h a n i c so fe l a s t i c-p l a s t i cf r a c t a ls u r f a c e sa n ds t a t i cf r i c t i o na-n a l y s i so fa s p e r i t ys c a l eJ.E n g i n e e r i n gC o m p u t a-t i o n s:I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o rC o m p u t e r-a i d e dE n-g i n e e r i n ga n dS o f t w a r e,2 0 2 0,3 8(1):1 3 1-1 5 0.4 J o h n s o nKL,K e n d a l lK,R o b e r t sAD.S u r f a c ee n-e r g ya n dt h ec o n t a c to fe l a s t i cs o l i d sJ.P r o c e e d-i n g so ft h e R o y a lS o c i e t yo fL o n d o n,S e r i e s A,M a t h e m a t i c a la n d P h y s i c a l S c i e n c e s,1 9 7 1,3 2 4(1 5 5 8):3 0 1-3 1 3.5 C h a n gW R,E t s i o nI,B o g yDB.A ne l a s t i c-p l a s t i cm o d e l f o r t h ec o n t a c to fr o u g hs u r f a c e sJ.J o u r n a lo fT r i b o l o g y,1 9 8 7,1 0 9(2):2 5 7-2 6 3.6 K o g u tL,E t s i o n I.E l a s t i c-p l a s t i c c o n t a c t a n a l y s i s o fas p h e r ea n dar i g i df l a tJ.J o u r n a l o fA p p l i e dM e-c h a n i c s,2 0 0 2,6 9(5):6 5 7-6 6 2.7 A b d oJ.F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fr o u g hs u r f a c e sb a s e do nu l t i m a t e-s t r e s sa s p e r i t yc o n c e p tJ.S u r-f a c ea n dI n t e r f a c eA n a l y s i s:A nI n t e r n a t i o n a lJ o u r-n a lD e v o t e dt ot h eD e v e l o p m e n ta n dA p p l i c a t i o no fT e c h n i q u e sf o rt h eA n a l y s i so fS u r f a c e s,I n t e r f a c e sa n dT h i nF i l m s,2 0 0 8,4 0(3/4):8 5 8-8 6 2.8 J a c k s o nRL,G r e e n I.Af i n i t e e l e m e n t s t u d y o f e l a s t o-p l a s t i ch e m i s p h e r i c a l c o n t a c ta g a i n s tar i g i df l a tJ.J o u r n a l o fT r i b o l o g y,2 0 0 5,1 2 7(2):3 4 3-3 5 4.9 J a c k s o nRL,G r e e nI.As t a t i s t i c a lm o d e l o f e l a s t o-p l a s t i ca s p e r i t yc o n t a c tb e t w e e nr o u g hs u r f a c e sJ.T r i b o l o g yI n t e r n a t i o n a l,2 0 0 6,3 9(9):9 0 6-9 1 4.1 0M e g a l i n g a mA,R a m j iKSH.Ac o m p l e t e s i n g l e a s-p e r i t y-b a s e ds t a t i s t i c a lG a u s s i a nr o u g hs u r f a c ec o n-t a c tm o d e lJ.J o u r n a l o fB i o-a n dT r i b o-C o r r o s i o n,2 0 2 0,6:1 3 3.1 1L u a nBQ,R o b b i n sM O.C o n t a c to fs i n g l ea s p e r i-t i e s w i t hv a r y i n ga d h e s i o n:c o m p a r i n gc o n t i n u u mm e c h a n i c s t oa t o m i s t i cs i m u l a t i o n sJ.P h y s i c a lR e-v i e wE,2 0 0 6,7 4(2):0 2 6 1 1 1.1 2S iLN,W a n gXL.N a n o-a d h e s i o ni n f l u e n c e db y a t o m i c-s c a l ea s p e r i t i e s:am o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u-l a t i o ns t u d yJ.A p p l i e d S u r f a c eS c i e n c e,2 0 1 4,3 1 7:7 1 0-7 1 7.1 3S iLN,W a n gXL,X i eGX,e ta l.N a n o-a d h e s i o na n df r i c t i o no fm u l t i-a s p e r i t yc o n t a c t:a m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o ns t u d yJ.S u r f a c e a n dI n t e r f a c eA n a l y s i s,2 0 1 5,4 7(9):9 1 9-9 2 5.1 4G uBK,S h e nSN,L iH.M e c h a n i s mo fm i c r o w e l df o r m a t i o na n db r e a k a g ed u r i n gC u-C uw i r eb o n d i n gi n v e s t i g a t e db y m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nJ.C h i n e s eP h y s i c sB,2 0 2 2,3 1(1):0 1 6 1 0 1.1 5C h e o n gW CD,Z h a n gLC.M o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns u b j e c t e d t o m u l t i-a s p e r i t y s l i d i n g:n a n o-w e a rm e c h a n i s m s,s u b s u r f a c ed a m a g ea n de f f e c to fa s-p e r i t y i n t e r a c t i o nJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fM a t e-r i a l sa n dP r o d u c tT e c h n o l o g y,2 0 0 3,1 8(4/5/6):3 9 8-4 0 7.1 6C h aP-R,S r o l o v i t zDJ,V a n d e r l i c kTK.M o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no fs i n g l ea s p e r i t yc o n t a c tJ.A c t aM a t e r i a l i a,2 0 0 4,5 2(1 3):3 9 8 3-3 9 9 6.1 7J a c o b sTDB,R y a nKE,K e a t i n gPL,e ta l.T h ee f f e c to fa t o m i c-s c a l er o u g h n e s so nt h ea d h e s i o no fn a n o s c a l ea s p e r i t i e s:ac o m b i n e ds i m u l a t i o na n de x-p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nJ.T r i b o l o g y L e t t e r s,2 0 1 3,5 0(1):8 1-9 3.1 8Z h e n gX,Z h u H T,T i e uA K,e ta l.R o u g h n e s sa n dl u b r i c a n te f f e c to n3 Da t o m i ca s p e r i t yc o n t a c tJ.T r i b o l o g yL e t t e r s,2 0 1 4,5 3:2 1 5-2 2 3.782武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期N o r m a l c o n t a c t c h a r a c t e r i s t i c so fn a n o s c a l ea s p e r i t i e sT uF u q u a n,W e iJ u n w e i,W e iS i j i a,S h iL i,C h e nC h a o,S uZ i h a o(K e yL a b o r a t o r yo fM e t a l l u r g i c a lE q u i p m e n t a n dC o n t r o l o fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:T ob r e a kt h r o u g ht h e l i m i t a t i o n so f f i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h ea n a l y s i so f i n t e r f a c i a l c o n-t a c t c h a r a c t e r i s t i c sa tm i c r o s c o p i c s c a l e,t h en o r m a l c o n t a c tb e h a v i o ro fn a n o s c a l ea s p e r i t i e sw a s s t u d-i e db yu s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d.M o l e c u l a rd y n a m i c sm o d e l so fn o r m a l c o n t a c tb e t w e e nc o p-p e rs i n g l ea s p e r i t i e sw i t ht h r e ed i f f e r e n t r a d i i a n dd i a m o n dr i g i dp l a n ew e r e e s t a b l i s h e dv i aL a r g e-s c a l eA t o m i c/M o l e c u l a rM a s s i v e l yP a r a l l e l S i m u l a t o r(L AMMP S).T h en o r m a l c o n t a c t p r o c e s s o f n a n o s c a l ea s p e r i t i e sw a ss i m u l a t e df r o ma t o m i cs c a l e.D y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fn o r m a lc o n t a c tf o r c e,a c t u a lc o n t a c t a r e aa n dc o n t a c t s t r e s sw e r ea n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t,w h e nt h ea s p e r i t yr a d i u s i s c o n-s t a n t,t h en o r m a lc o n t a c tf o r c e,c o n t a c ts t r e s sa n dt h ea c t u a lc o n t a c ta r e aa r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h ec o n t a c td e f o r m a t i o nr a t e.Wh e nt h ec o n t a c td e f o r m a t i o nr a t e i sc o n s t a n t,t h en o r m a l c o n t a c tf o r c e,c o n t a c t s t r e s s a n d t h e a c t u a l c o n t a c t a r e a i n c r e a s ew i t h t h e r i s i n ga s p e r i t y r a d i u s.D i f f e r e n t f r o mt h em a c r o s c o p i cc o n t a c tb e h a v i o r,n e g a t i v en o r m a l c o n t a c t f o r c ea n dn o n-z e r oa c t u a l c o n t a c ta r e aa p-p e a r i nt h e i n i t i a l n o r m a l c o n t a c t s t a g eo f n a n o s c a l e a s p e r i t i e sd u e t o t h e i n t e r a t o m i c f o r c e.T h e c