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北航張瑞豐Acta. Mater.：更高強(qiáng)度和更耐失效的三維鋸齒狀雙金屬界面

2019-01-08 11:30:17 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

【引言】

金屬基納米復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注和廣泛研究，比如，優(yōu)異的抗輻射損傷性能，良好的熱穩(wěn)定性，以及在常溫和室溫條件下的較高強(qiáng)度和塑性阻力。這些性能上的顯著增強(qiáng)可以歸因于雙金屬界面在高溫、輻射和機(jī)械變形條件下表現(xiàn)出的特定界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究表明，諸多關(guān)鍵的力學(xué)行為，例如位錯形核、缺陷的吸收和湮滅，都起源于界面區(qū)域。雖然低能雙金屬平界面結(jié)構(gòu)在材料中普遍存在，但也有可能通過宏觀的或局域的晶體學(xué)取向改變而形成高能界面結(jié)構(gòu)。雖然這些高能界面出現(xiàn)的頻率可能較低，但它們?nèi)匀皇侨毕菪纬珊拖嚅g運(yùn)動的優(yōu)先位置，在材料變形響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學(xué)張瑞豐教授利用原子尺度模擬和界面缺陷理論，考慮Cu/Ag和Cu/Nb兩種典型雙金屬系統(tǒng)，揭示了高能界面可以通過形成周期性原子級鋸齒結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)界面局部低能態(tài)，并且提出了一種普適的界面鋸齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，以期獲得最佳力學(xué)性能的界面結(jié)構(gòu)。在幾種不同的應(yīng)變條件下，與平坦界面相比，具有原子級周期鋸齒的界面具有更高的位錯形核壘和更高的界面剪切阻力。這種理想的性能組合并不是通常研究的低能界面所具備的力學(xué)特征：低能界面通常具有高的位錯形核勢壘和低的界面滑移阻力。通過對錯配位錯結(jié)構(gòu)演化以及點(diǎn)陣位錯形核的詳細(xì)分析表明，周期鋸齒結(jié)構(gòu)能夠改變塑性變形初期的位錯形核的數(shù)量和開動的滑移系統(tǒng)，同時能夠有效降低界面區(qū)域錯配位錯產(chǎn)生的應(yīng)力集中。最后，作者基于大量對比性的模擬結(jié)果，提出了針對于高能界面力學(xué)韌塑性調(diào)制策略，即通過優(yōu)化設(shè)計(jì)原子鋸齒狀界面來改善金屬基納米結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)強(qiáng)度、提升界面滑移和蠕變抗力。原子級鋸齒狀界面具有更高穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度的同時能夠有效緩解應(yīng)變局域化，進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)、具有較大的應(yīng)用前景。該成果近日以題為“Stronger and more failure-resistant with three-dimensional serrated bimetal interfaces”發(fā)表在知名期刊Acta. Mater.上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一：雙晶結(jié)構(gòu)及界面

（a）雙晶界面模型的示意圖；

（b）展開的湯普森四面體，顯示fcc晶體中的所有滑移系統(tǒng)；

（c）Cu和Ag中相對于{110}//{110}Ag界面的滑移系統(tǒng)；

（d）Cu相對于Cu{112}//{112}Nb界面的滑移系統(tǒng)。

圖二：Cu {110}//{110}Ag的界面結(jié)構(gòu)

（a）平面界面上錯配位錯網(wǎng)絡(luò)的俯視圖；

（b-e）SI-1，SI-2，SI-1A和SI-2A鋸齒狀接口的側(cè)視圖；

（f-h）SI-1，SI-2和SI-1A接口上的錯配位錯網(wǎng)絡(luò)的側(cè)視圖。

圖三：Cu/Ag界面的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在（a）沿x[001]拉伸，（b）沿y[110]拉伸，（c）沿z[110]拉伸，（d）沿x[001]壓縮；（e）沿y[110]壓縮，和（f）沿z[110]壓縮下，平界面、SI-1、SI-2、SI-1A和SI-2A界面的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖四：Cu{110}//{110}Ag界面成核特征

（a）平坦界面在8.11％應(yīng)變下形成Hirth位錯鎖；

（b）平坦界面在9.85％應(yīng)變下位錯桁架；

（c）SI-1界面在7.57％應(yīng)變下位錯形核；

（d）SI-2界面在6.49％應(yīng)變下位錯形核；

（e）SI-1A界面，應(yīng)變?yōu)?1.06％時的位錯桁架；

（f）SI-2A界面，應(yīng)變?yōu)?1.06％時的位錯桁架。

圖五：鋸齒狀Cu{110}//{110}Ag界面的轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性的特征

（a）SI-1A界面，應(yīng)變?yōu)?0.95％；

（b）SI-1A界面，應(yīng)變?yōu)?1.06％；

（c）SI-2A界面，應(yīng)變?yōu)?0.95％；

（d）S1-2A界面，應(yīng)變?yōu)?1.06％。

圖六：Cu{112}//{112}Nb的結(jié)構(gòu)與內(nèi)部小平面（PI）和鋸齒（SI）的界面

（a）未松弛的準(zhǔn)平坦界面 (PI)；

（b）未松弛的擴(kuò)展鋸齒界面 (SI)；

（c）松弛后PI界面的側(cè)視圖；

（d）松弛后SI界面的側(cè)視圖；

（e）松弛后PI界面的透視圖；

（f）松弛后SI界面的透視圖。

圖七：等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比

（a）拉伸載荷和（b）壓縮載荷下SI和PI Cu{112}//{112}Nb界面的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖八：在拉伸加載下來自Cu{112}//{112}Nb界面的Shockley分位錯的形核特征

（a）沿x軸5.33％應(yīng)變下PI界面；

（b）沿x軸8.00％應(yīng)變下SI界面；

（c）沿y軸2.53％應(yīng)變下PI界面；

（d）沿y軸4.29％應(yīng)變下SI界面；

（e）沿z軸5.86％應(yīng)變下PI界面；

（f）沿z軸7.25％應(yīng)變下SI界面。

圖九：兩個Cu{112}//{112}Nb界面的原子Von Mises應(yīng)變圖

沿x軸拉伸應(yīng)變?yōu)?.23％時，兩種Cu{112}//{112}Nb界面的原子Von Mises應(yīng)變圖。（a）準(zhǔn)平坦界面；（b）鋸齒狀界面。

圖十：沿x[111]Cu方向剪切的兩種Cu{112}//{112}Nb界面的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖十一：具有不同鋸齒配置的各種Cu{110}//{110}Ag界面的界面能和峰值拉伸應(yīng)力

【小結(jié)】

作者利用原子模擬和位錯理論，揭示了兩個有代表性的高能量，平坦Cu{110}//{110}Ag界面和準(zhǔn)平坦Cu{112}//{112}Nb界面的界面特征和變形機(jī)制，以及它們的鋸齒變體。結(jié)果可歸納如下：

1. 對于平坦Cu{110}//{110}Ag界面，鋸齒的引入顯著改變了界面錯配位錯，從具有較大伯格斯矢量的位錯轉(zhuǎn)變?yōu)镾hockley不全位錯和Hirth型位錯。對于具有內(nèi)稟小平面的Cu{112}//{112}Nb界面，鋸齒的引入不會改變錯配位錯的種類，但會改變它們的形態(tài)；

2. 與平坦界面或準(zhǔn)平面界面相比，鋸齒狀界面在單軸拉伸/壓縮載荷下實(shí)現(xiàn)更高的峰值應(yīng)力和臨界應(yīng)變，這意味著更高的位錯成核勢壘。界面結(jié)構(gòu)和錯配位錯的重新配置改變了優(yōu)選的滑移系統(tǒng)和變形機(jī)制，并減輕了界面處的應(yīng)變集中；

3. 鋸齒狀Cu{112}//{112}Nb界面沿著鋸齒交替分布的方向具有更高的剪切阻力，同時阻礙了具有面外伯格斯矢量的錯配位錯開動；

4. 與非密排的平坦界面相比，鋸齒狀界面具有較低的界面能，表明鋸齒界面較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)鏈接：Stronger and more failure-resistant with three-dimensional serrated bimetal interfaces (Acta Mater. 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.12.051)

張瑞豐教授個人簡歷：

張瑞豐：北京航空航天大學(xué)卓越百人計(jì)劃教授，入選中組部青年千人計(jì)劃。2013年擔(dān)任美國愛荷華州立大學(xué)材料系研究助理教授；2009年獲得美國Los Alamos Director’s Postdoctoral Fellowship榮譽(yù)；2005年獲得德國洪堡學(xué)者榮譽(yù)；2005年獲得清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文一等獎和優(yōu)秀博士畢業(yè)生稱號。應(yīng)用多尺度計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，圍繞典型合金及硬質(zhì)涂層的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)和塑性調(diào)制等展開深入系統(tǒng)研究。迄今在PNAS, Phys Rev Lett, Acta Mater, Adv Mater, Adv Funct Mater, Adv Energy Mater, Nano Lett, Phys Rev B, Appl Phys Lett等著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文100余篇，被SCI引用2500多次（H因子=31），主題或邀請報告30余次。研究組研發(fā)多款材料計(jì)算設(shè)計(jì)和模擬軟件：“Miedema Calculator”熱力學(xué)計(jì)算軟件，“SPaMD Simulator”功能化可擴(kuò)展并行分子動力學(xué)模擬程序，“Atomistic Analyzer: AACSD”晶體取向和缺陷分析程序，“Atomistic Analyzer: AADIS”晶內(nèi)和界面位錯特征解析程序，“ADAIS”高通量第一性原理強(qiáng)度自動求解程序，“AELAS”高通量彈性自動計(jì)算程序，“PNADIS”派-納位錯塑性半離散變分求解程序等。

近期文獻(xiàn)：Y. Y. Xiao, X. F. Kong, B. N. Yao, D. Legut, T. C. Germann, and R.F.Zhang*.Atomistic insight into the dislocation nucleation at crystalline/crystalline and crystalline/amorphous interfaces, Acta Materialia162, 255(2019).

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