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Acta Mater:纳米Cu/Ag的双界面相互作用的分子动力学研究 – 微米纳米网
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微米和纳米科技材料

Acta Mater:纳米Cu/Ag的双界面相互作用的分子动力学研究

Acta Mater:纳米Cu/Ag的双界面相互作用的分子动力学研究

【引言】

当材料达到纳米尺度的结构时,可以表现出与宏观块体不同的性质。在这个尺度上,界面的密度非常高,主宰着纳米层或纳米孪晶材料的机械性能。近期实验研究表明在高应力或应变下,Cu/Nb和Cu/Ag双金属材料会产生孪晶,研究人员认为,在此机械孪晶的产生过程中异相界面发挥了关键作用。根据界面类型的不同,孪生位错(TDs)有可能直接在相邻平面的界面成核,或者从一层传递到另一层,甚至可能在界面处骤停使得作用加强。因此,在这些特殊材料的塑性机制中,多相界面的结构是关键影响因素,而理解界面如何与孪生体相互作用也至关重要。由于研究对象的时长和空间尺度均较小,目前看来,原子模拟是较为合适的工具。

【成果简介】

合金是具有优异机械性能的典型金属体系,不同的细微结构决定着其性能的优劣,例如,当材料结构到纳米尺度时,研究人员发现会产生了许多力学性能的改变。最近,法国普瓦捷大学R. Béjaudt等人利用分子动力学模拟,在原子尺度上研究了孪晶与纳米结构Cu/Ag的界面相互作用,分析了界面结构对孪晶核形成、扩散和增厚的影响,详细阐述了失配界面位错网格的作用。该研究发表于Acta Materialia,题为“Twin-interface interactions in nanostructured Cu/Ag: Molecular dynamics study”。该项研究表明界面可以通过Lomer位错直接或间接诱导孪生位错的成核,并给出了有关机制的详细描述。研究通过这种原子尺度的方法提出,在纳米层状复合材料中,机械孪生过程是一种常见的塑性机制。

【图文导读】

图1. 两层同尺寸的薄双金属薄膜的结构图

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含有两层相同尺寸的薄双金属薄膜。原子根据其类型着色(Ag为紫色,Cu为黄色)。

图2. 界面处的俯视图与侧视图

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(a)界面处的Cu和Ag原子的俯视图,(a.i)和(a.ii)分别表示COC和TO界面。这些视图显示了界面处的Shockley局部错位网格(由黑线突出显示)、相关三角形图案(白色网格)以及堆积层错分布。

(b)沿X=<01-1>方向的侧视图。(bi)为在COC界面的相干区域和本征堆积层错(ISF)区的交错排列;(b.ii)为在TO界面的Cu层和Ag层获得的孪生断层区。

原子根据中心对称参数进行着色。蓝色的原子处于完美的FCC状态,而红色的原子处于堆积或孪生位错状态。

图3. 双金属薄膜的塑性响应

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压缩作用下COC界面的薄Cu/Ag双金属薄膜的塑性响应。

(i-iii)Ag表面上的一步的孪晶成核和(iv)界面上的双重增厚。

(v)双核塑性机制和完美的位错成核。

图4. 应力应变曲线

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(a)应力-应变曲线和(b)孪晶的原子总比例与应变的函数关系。浅蓝色、紫色和黄色曲线分别对应于在Ag、Cu和两个表面上的COC界面的薄膜结构。红色、绿色和藏青色曲线分别对应于在Ag、Cu和两个表面上的TO界面的薄膜结构。

图5. 压缩作用下TO界面的薄Cu/ Ag双金属薄膜的塑性响应

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在压缩作用下TO界面的薄Cu/Ag双金属薄膜的塑性响应。 (a.i-iii)Ag表面上的一步孪晶成核和界面上的Lomer位错成核。

(a.iii-iv)在Cu层的界面处形成双层。

(b)(a.i)中蓝色外框为界面区域的特写图,显示了在Ag表面形成的Shockley部分位错与失配错位之间的相互作用。

(c)(a.ii)中蓝色外框为界面区域的特写图,显示Ag层中Lomer位错的形成和Cu层中Shockley部分位错的形成。如图3所示,根据CNA参数和我们的孪晶识别算法对原子进行着色。

图6. Lomer位错形成孤立的Shockley位错环的机制示意图

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Lomer位错形成孤立的Shockley位错环的机制示意图。

(a)初始构型:在(100)平面上滑动的Lomer位错(红线)。

(b)将Lomer分解转化为Shockley部分位错(11-1)平面(绿线)。(c)由无限Frank位错导致的Shockley和Lomer位错的扩大。

(d)去除无限Frank位错,导致形成孤立的Shockley位错环和最初Lomer位错的释放。

图7. COC界面Cu/ Ag薄膜孪生化产生塑性形变

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COC界面Cu/Ag薄膜通过孪生化而产生塑性形变,且以角度θ围绕X轴旋转。原子根据其旋转角度θi进行着色,黑色箭头对应压缩轴形变,白色箭头对应界面的[-211]方向。

【小结】

该项研究结果强调了多相界面结构如何影响机械孪晶过程(成核、扩散和增厚)的不同步骤,进而影响了纳米尺度的Cu/Ag中形成的双晶体的尺寸。设计多层材料以调整其力学性能仍然是一个热门话题,同时因为孪晶会结合纳米层和纳米孪晶材料的机械性能,因而可以手动控制形变机制。在这方面,此研究在支持异相界面促进孪晶产生的观点下,又为理解双界面相互作用的机制提供了关键性的指导。

文献链接: Twin-interface interactions in nanostructured Cu/Ag: Molecular dynamics study (Acta Materialia, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.036)

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