Cu/CuZr纳米复合材料力学行为与变形机制的模拟研究

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由于纳米多晶金属材料具有高塑性和高强度等优异的力学性能,近年来在各个领域都受到了广泛关注。对于纳米多晶金属材料力学性质和变形机制的研究主要集中在面心立方(fcc)结构,尤其是对纳米多晶Cu力学性能的研究较多。在研究拉伸载荷下的纳米多晶Cu的变形机理时,发现晶界处由于应力集中,出现了纳米孔洞或裂纹,导致了纳米多晶Cu塑性的降低。因此,找到一种提高纳米多晶Cu塑性的方法是至关重要的。  非晶合金具有良好的耐磨性和耐腐蚀性,当非晶合金的尺寸减小到某一临界值时,在变形过程中,它表现出良好的均匀塑性变形,显示出很好的塑性。研究发现在非晶合金中引入晶体相,通过增加剪切带的成核点或者阻碍剪切带的运动,从而可以有效提升非晶合金的塑性。为了找到提升纳米多晶Cu力学性能的方法,研究中发现了一个值得关注的问题——双相纳米结构铜合金的力学性能。本文采用分子动力学模拟方法研究了CuZr非晶相对纳米多晶Cu在拉伸载荷作用下变形机制的影响。主要内容和结论如下:  (1)研究了在拉伸载荷作用下,晶粒尺寸对纳米多晶Cu和双相纳米结构CuZr复合材料塑性变形机制的影响。研究结果表明,小晶粒尺寸的纳米多晶Cu的变形机制主要以晶粒旋转以及晶界迁移为主,并伴随着少量位错的成核与滑移。晶粒尺寸较大的纳米多晶Cu的塑性变形机制主要以裂纹的成核与生长为主。对于双相纳米结构Cu/CuZr复合材料,非晶相的塑性变形在塑性变形过程中起主导作用,且这种现象与晶粒尺寸无关。此外,当晶粒尺寸增加到一定程度时,复合材料的晶界处也出现了晶界裂纹,但非晶相明显延缓和阻碍了裂纹的成核与扩展。研究表明非晶相的引入能有效提升纳米多晶Cu的塑性。同时研究了温度对双相纳米结构CuZr复合材料塑性变形机制的影响,结果表明,温度对双相纳米结构Cu/CuZr复合材料在塑性变形机制的影响主要是位错,当温度升高,材料在拉伸过程中位错更容易成核和滑移。  (2)研究了非晶相对纳米多晶Cu塑性变形行为的影响。具体研究了非晶边界间距和晶粒尺寸对晶体/非晶Cu/CuZr纳米复合材料变形机制的影响。结果表明,由于非晶相与晶体相之间的协同作用,非晶相的引入可以有效地增强纳米多晶Cu的塑性变形能力。随着晶粒尺寸减小或非晶相厚度增大,纳米复合材料晶粒的变形机制从双滑移系统的位错滑移转变为单滑移系统的位错滑移,非晶相承受整个塑性变形的能力。也就是说,减小晶粒尺寸和增加非晶相厚度都可以改善Cu/CuZr纳米复合材料的塑性变形能力。尽管Cu/CuZr纳米复合材料的塑性变形过程中发生位错的成核和滑移,但非晶相和晶体相之间的协同效应起主导作用,特别是在塑性变形的后期。该研究为提高纳米多晶金属Cu的塑性具有参考和指导意义。
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