浙江大学工程力学系, 杭州 310027
中图分类号: TG113.25
通讯作者:
收稿日期: 2013-09-9
修回日期: 2013-09-9
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作者简介:
周昊飞, 男, 1986年生, 博士
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摘要
提出了一种新的纳米结构材料即梯度纳米孪晶界结构, 并利用分子动力学方法计算了梯度纳米孪晶Cu的单轴拉伸和压痕的变形过程, 分析了纳米孪晶界分布对位错机制的影响. 结果表明, 梯度纳米孪晶界主导的塑性变形可分为2类, 不全位错主导了较厚的孪晶片层的塑性变形, 较细孪晶片层的塑性变形由全位错主导. 此外, 提高孪晶界密度可以有效改善材料的强度和硬度.
关键词:
Abstract
Strengthening by twin boundaries at nanoscale and gradient surface nanocrystallization are two important strengthening approaches recently drawing considerable attention in the field of metallic material research. In the present work, a novel nanostructure, i.e., gradient nanoscale twin boundaries, is proposed. To reveal their unique deformation mechanism, uniaxial tension simulations of gradient nanotwinned copper are investigated by molecular dynamics simulations. The results show that partial dislocations govern the deformation of relatively thicker twins while full dislocations control the deformation of relatively thinner twin layers. Nanoindentation processes of gradient nanotwinned copper are also performed, providing insights on the strengthening and hardening effects of nanoscale twin boundaries.
Keywords:
纳米共格孪晶界强化作为一种新型的强化方法, 能够显著改善材料的强韧性能, 使结构材料具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景. Lu等[
传统固溶强化、第二相强化、形变强化和细晶强化等强化方法, 都是在材料内部引入各种晶体缺陷以阻碍位错运动. 这些方法虽然可以显著提高材料强度和硬度, 但是都以严重降低塑性为代价[
孪晶界属于大角度晶界的一种, 虽然其结构较为特殊, 但其特征尺寸的改变同样会影响材料的整体强度和韧性. 基于这一考虑, 本工作从孪晶界和梯度材料的概念出发, 提出了一种新的纳米结构, 即梯度纳米孪晶结构, 并采用分子动力学模拟方法, 计算梯度纳米孪晶Cu受单轴拉伸和球形压头压入时的变形过程, 研究梯度分布的纳米孪晶界对材料强度和塑性变形机制的影响, 并讨论梯度孪晶结构对材料力学性能的影响.
图1为本工作提出的梯度纳米孪晶Cu试样的的结构示意图. 根据局部晶序[
图2给出了梯度纳米孪晶Cu试样受单轴拉伸时形变过程中几个主要阶段的原子结构图. 当拉伸应变为8.86%时, 可观察到有不全位错从试样下表面萌生, 并沿着倾斜于孪晶界的{111}面滑移, 如图2a所示. 当拉伸应变增加为8.88%时, 更多的位错从试样下表面发射并向晶粒内部滑移, 且有部分不全位错相互交割, 如图2b所示. 当应变增加至8.90%时, 部分不全位错开始与试样内部的孪晶界发生交互作用, 如图2c所示. 位错-孪晶界交互作用的结果是产生了留在孪晶界上的不可动位错和向孪晶界另一侧滑移的不全位错, 且孪晶界的共格性被逐渐破坏. 当应变继续增加至8.94%时, 可观察到有少量位错滑移至试样上表面. 如图2d所示, 此时整个试样的塑性变形在梯度方向有明显的变化. 在较厚的孪晶片层中, 大量的不全位错滑移并相互交割主导了该区域的塑性变形, 位错运动的结果是在孪晶界间留下了大量相互交错的堆垛层错; 而较细的孪晶片层的塑性变形主要由全位错主导, 这些全位错沿着平行于孪晶界的方向滑移. 梯度纳米孪晶Cu的塑性变形是以上2种位错机制协调作用的结果, 其独特之处在于: 较厚的孪晶片层中, 由于位错容易开动, 可以为材料容纳大量的塑性变形, 进而提高材料的韧性; 而较细孪晶片层则阻碍了位错的萌生和扩展, 可以提高材料的强度.
为验证上述塑性变形机制的转变, 考虑了几种不同的孪晶界分布. Single crystal代表不含孪晶界的单晶Cu试样, Bicrystal代表中心含有一条孪晶界的双晶Cu试样, 而Uniform-twinned crystal代表孪晶界间距均为1.1 nm的孪晶Cu试样. 图3给出了这3种材料与梯度纳米孪晶Cu试样(Gradient-twinned crystal)的单向拉伸应力-应变曲线. 可以看到, 孪晶界的分布变化对材料的屈服应力影响并不明显. 但是, Uniform-twinned crystal和Gradient-twinned crystal试样的流动应力远高于Single crystal和Bicrystal试样, 这表明较细的孪晶片层可以有效提升材料强度. 对比Uniform-twinned crystal和Gradient-twinned crystal的应力-应变曲线还可以看到, 虽然后者只含少量较细的孪晶片层, 但其强化效果与前者相当.
图4给出了Single crystal和Bicrystal试样拉伸过程的原子结构图. 可以看到, 两者的变形均以不全位错在表面形核并向试样另一侧滑移为主, 拉伸过程结束之后, 试样内部残留了大量的堆垛层错. 不全位错运动至自由表面留下的滑移台阶也清晰可见. 在图4d中, 注意到孪晶界在位错的切割下, 共格性遭到严重破坏, 逐渐转化为普通晶界. 图5给出了Uniform-twinned crystal试样变形过程的原子结构图. 可以看到, 塑性变形主要由全位错主导, 且自由表面无明显的滑移台阶, 孪晶界的共格性也很完好. 上述结果与图2中的结果是一致的.
为了进一步理解孪晶片层厚度与位错机制的关系, 对梯度纳米孪晶Cu进行了纳米压痕的模拟研究. 压头分别从梯度纳米孪晶Cu试样的上下表面以相同的速率压入, 记录了载荷-位移曲线, 如图6a所示. 可以看到, 孪晶片层的厚度对试样表面的塑性变形和硬度有较大的影响. 当压头压入深度为0.47 nm时, 孪晶片层较细侧(Fine)的载荷-位移曲线突然下降, 表明材料开始发生屈服. 从图6b中可以看到, 此时已有位错在表面形核. 这表明, 在非均匀载荷下, 共格孪晶界会促进位错的萌生, 这与Qu等[
通过分子动力学模拟发现, 梯度纳米孪晶Cu的塑性变形是由不全位错和全位错协调作用完成的. 孪晶片层较厚时, 大量不全位错滑移并相互交割主导了着孪晶内部的塑性变形, 这一机理可以提升材料的韧性. 而当孪晶片层较细时, 塑性变形主要由全位错主导, 而且位错萌生和扩展受到孪晶界抑制, 这有效提升了材料的强度. 应力-应变曲线结果也表明, 梯度纳米孪晶界结构的强度与均匀高密度纳米孪晶界结构的强度相当. 拉伸载荷作用下, 屈服强度对孪晶片层的厚度并不敏感, 而流动应力在不同的孪晶界分布的情况下变化剧烈. 纳米压痕模拟则表明, 孪晶界有助于位错的形核, 并对后续的变形有明显的强化作用.
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