發(fā)布時間：2021-07-29 07:50

　　使用分子動力學(xué)模擬（MD）來研究晶粒尺寸為5 nm的納米晶Cu的疲勞行為。疲勞模擬是在±5%的應(yīng)變幅度下進(jìn)行5個周期的循環(huán)加載,分別模擬三種具有不同尺寸孔洞的樣品。分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明,循環(huán)加載下的變形行為主要是堆垛層錯的部分位錯滑移。隨著孔洞尺寸的增加,材料變形的主要機制從整個模型的剪切變形演變到主要在孔洞邊緣引起的局部應(yīng)力集中。MD模擬結(jié)果表明,應(yīng)力-應(yīng)變行為的特征是初始軟化,其次是硬化,這種現(xiàn)象也與空洞的尺寸有關(guān)。 

【文章來源】：熱加工工藝. 2020,49(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

三種不同尺寸孔洞的納米銅樣本的微觀結(jié)構(gòu)演變圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)和量化晶粒的粗化現(xiàn)象，計算了無序原子的數(shù)目，并將其表示為有關(guān)循環(huán)周期的函數(shù)，如圖5(a）所示。無序原子主要包括晶界原子，所以無序原子數(shù)目的百分比是晶界面積的占比。從圖5(a）可看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，無序原子的百分比逐漸減小，無序原子百分比的整體減小表明總晶界面積隨循環(huán)變形的增加而減小。在相同循環(huán)周期內(nèi)，孔洞的直徑不同，無序原子的百分比也不同�？锥吹闹睆皆叫�，無序原子數(shù)的百分比越小。這表明較小的孔洞直徑將導(dǎo)致晶粒生長速度加快。在納米晶材料中，眾所周知的是，晶粒尺寸和屈服強度與反Hall-Petch方程相關(guān)。基于此，圖2中屈服強度的增加可歸因于晶粒尺寸的增加。為了理解初始硬化，堆垛層錯原子百分比關(guān)于循環(huán)周期的函數(shù)計算如圖5(b）所示。在循環(huán)加載早期，只有部分晶粒的變形被激活，晶粒尺寸保持穩(wěn)定，隨后未變形的晶粒位錯源被連續(xù)激活，堆垛層錯比例迅速增加，導(dǎo)致循環(huán)軟化。循環(huán)加載后期，晶粒生長使得晶粒尺寸變大，位錯源（晶界）減少，堆垛層錯趨于穩(wěn)定。這種位錯源的減少導(dǎo)致循環(huán)硬化。由于孔洞的尺寸不同，晶粒的生長速度也不同，這導(dǎo)致了不同尺寸孔洞的循環(huán)硬化開始的周期也不同。3 結(jié)論

圖4為通過渲染，得到的不同孔洞尺寸的納晶銅的晶粒結(jié)構(gòu)示意圖。圖4顯示了在張力的總應(yīng)變?yōu)?%時，三種直徑的孔洞在第一、第三、第五周期的漸進(jìn)塑性變形過程。塑性變形主要由部分位錯成核的晶界滑移引起的。變形機制主要是晶界活動。隨著應(yīng)變和循環(huán)次數(shù)的增加，位錯運動主要產(chǎn)生相互平行的堆垛層錯�？梢钥闯觯苄宰冃卧诘谝淮窝h(huán)中僅在很少的晶粒中被激活。部分位錯首先在小晶粒中形成，隨著周期數(shù)的增加，更多的晶粒參與變形過程。在一個晶界成核的部分位錯向相反的晶界移動，最終被消滅。部分位錯的滑移和湮滅在晶粒內(nèi)留下堆垛層錯帶。通過比較圖4(a）、（b）、（c），還可發(fā)現(xiàn)，循環(huán)變形過程中晶粒堆垛層錯的產(chǎn)生受到給定孔洞尺寸的影響明顯，孔洞尺寸越大，產(chǎn)生的堆垛層錯越少。來自非相關(guān)孿晶界（ICTB）的部分位錯的連續(xù)成核和它們在應(yīng)變反轉(zhuǎn)時的反向運動將ICTB轉(zhuǎn)變成相關(guān)孿晶界。通過觀察圖4(a)～(c）可看出，在循環(huán)加載過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生越來越多的孿晶界，而孿晶界在后來的塑性變形中保持高度穩(wěn)定。循環(huán)加載早期，位錯主要發(fā)生在較小的晶粒內(nèi)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，小晶粒逐漸被吞噬，這說明小晶粒區(qū)域的位錯更為活躍。晶粒生長是因晶粒轉(zhuǎn)動引起的一系列晶界遷移和粗化的結(jié)果，這與變形過程中材料受到的高剪切應(yīng)力密切相關(guān)。晶粒生長和粗化的結(jié)果是，在循環(huán)加載結(jié)束時，樣品中存在體積較大但數(shù)量較少的晶粒。初步分析表明，晶粒生長是由于晶粒上部分位錯的不斷撞擊造成的。為了更好理解晶粒生長現(xiàn)象，進(jìn)一步的分析正在進(jìn)行中。為了進(jìn)一步確認(rèn)和量化晶粒的粗化現(xiàn)象，計算了無序原子的數(shù)目，并將其表示為有關(guān)循環(huán)周期的函數(shù)，如圖5(a）所示。無序原子主要包括晶界原子，所以無序原子數(shù)目的百分比是晶界面積的占比。從圖5(a）可看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，無序原子的百分比逐漸減小，無序原子百分比的整體減小表明總晶界面積隨循環(huán)變形的增加而減小。在相同循環(huán)周期內(nèi)，孔洞的直徑不同，無序原子的百分比也不同�？锥吹闹睆皆叫�，無序原子數(shù)的百分比越小。這表明較小的孔洞直徑將導(dǎo)致晶粒生長速度加快。在納米晶材料中，眾所周知的是，晶粒尺寸和屈服強度與反Hall-Petch方程相關(guān)�；诖耍瑘D2中屈服強度的增加可歸因于晶粒尺寸的增加。為了理解初始硬化，堆垛層錯原子百分比關(guān)于循環(huán)周期的函數(shù)計算如圖5(b）所示。在循環(huán)加載早期，只有部分晶粒的變形被激活，晶粒尺寸保持穩(wěn)定，隨后未變形的晶粒位錯源被連續(xù)激活，堆垛層錯比例迅速增加，導(dǎo)致循環(huán)軟化。循環(huán)加載后期，晶粒生長使得晶粒尺寸變大，位錯源（晶界）減少，堆垛層錯趨于穩(wěn)定。這種位錯源的減少導(dǎo)致循環(huán)硬化。由于孔洞的尺寸不同，晶粒的生長速度也不同，這導(dǎo)致了不同尺寸孔洞的循環(huán)硬化開始的周期也不同。


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