晶粒度对多晶铜纳米压痕表面变形机理影响

为研究晶粒度在多晶材料纳米压痕过程中对其塑性变形机制及位错演生过程影响.采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大规模多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜Hall-Petch效应曲线建立具有不同晶粒度的多晶铜模型,并与单晶铜纳米压痕模型对比,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程,计算4种模型的缺陷结构的配位数、内应力、原子势能等参数.采用中心对称参数法研究压痕过程中位错等缺陷结构的演化机制.结果表明:具有不同晶粒度的多晶铜纳米压痕过程存在显著的规律性,单晶铜压痕力高于多晶铜,多晶铜压痕力随着晶粒度降低而下降;多晶铜的晶界结构能够限制压痕缺陷、内应力与原子势能向材料内部传递,而单晶铜难以限制此传递过程;压痕过程中,具有较小晶粒度的多晶铜具有更高的静水压力、范式等效应力与原子势能,单晶铜内应力与原子势能低于多晶铜.表层及亚表层为较低晶粒度而材料内部为较大晶粒度的梯度晶粒度材料具有极大的研究价值.     

压痕位置对多晶铜纳米压痕变形机理的影响

为研究在纳米压痕过程中微观结构多晶铜力学特性及变形机理的影响机制,采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大尺度多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜不同微观结构分别建立初始压痕位置位于晶粒、晶界面、三叉晶界、顶点团4类微观结构的纳米压痕模型,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程,计算4种模型的纳米压痕力及原子的静应力与第三应力.采用中心对称参数法分析多晶铜表面及亚表面位错演化对纳米压痕过程的影响.结果表明:探针对4种微观结构的纳米压痕过程存在显著的规律性,纳米压痕力的增长速率、纳米压痕过程位错向邻近晶粒扩散的难度、纳米压痕后多晶铜亚表面位错分布范围、纳米压痕过程中低维数微观结构累积原子势能的难度等均满足降序关系:晶粒、晶界面、三叉晶界、顶点团;压痕位于高维数微观结构时,其相邻的微观结构呈拉应力;而压痕位于低维数微观结构时,其相邻的微观结构呈压应力.在多晶铜的纳米压痕过程中,为减少缺陷结构数量及其能量累积,降低材料的残余应力,应针对多晶铜的晶粒进行机械加工并避开顶点团、三叉晶界等微观结构.     

封面图片说明

<正>封面图片来自本期论文"晶粒度对多晶铜纳米压痕表面变形机理影响",是哈尔滨工业大学郭永博教授课题组制作完成的多晶铜纳米压痕的分子动力学仿真展示.该课题组采用Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法建立大规模多晶铜分子动力学模型,针对多晶铜Hall-Petch效应曲线建立具有不同晶粒度的多晶铜模型并与单晶铜纳米压痕模型对比,采用分子动力学方法模拟计算金刚石探针压入模型的纳米压痕过程.结果表明:具有不同晶粒度的多晶铜纳米压痕过程存在显著的规律性,单晶铜压痕力     

纳观金属材料拉伸强度的影响因素

应用分子动力学中嵌入原子法(EAM)势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程,得出具有完整结构和各种缺陷结构模型拉伸时的强度极限应力,并分析了缺陷对模型拉伸强度的影响.结果表明:孔洞会降低纳米金属材料拉伸强度,表面缺陷是降低纳米金属材料拉伸强度的最主要因素,不同大小的空穴对纳米金属材料拉伸强度有不同的影响.     

纳米晶铜块体材料电化学腐蚀行为研究

针对纳米晶（NC）单质金属材料的腐蚀特性，研究了块体纳米晶铜的耐蚀性能.利用电化学方法，结合XRD、EDS和SEM表面分析技术，比较分析了惰性气体沉积原位温压法（IGCWC）制备的块体纳米晶铜和多晶铜在0.1 mol/L CuSO₄和0.05 mol/L H₂SO₄混合溶液中的腐蚀行为.结果表明，纳米晶铜的腐蚀呈均匀的表面溶解并伴随有不均匀的局部腐蚀，而多晶铜呈沿晶界均匀分布的晶界点蚀.纳米晶铜表面原子和晶界原子具有更高的表面活性，钝化能力大大提高，同时钝化膜的溶解速度加大.纳米试样制备过程中产生的微孔隙缺陷降低了纳米晶铜的耐蚀性.与多晶铜相比，纳米晶铜耐蚀性降低     

α-Fe<110>倾侧晶界单轴拉伸下位错演变的分子动力学模拟

采用分子动力学方法通过建立单轴拉伸条件下α-Fe110倾侧晶界模型,研究α-Fe110倾侧晶界及空洞周围位错发射、增殖演变过程.结果表明:α-Fe在塑性变形阶段与解理断裂微裂纹形核时会发射1/2111全位错并随着拉伸加载而呈指数型增殖,且内部位错相遇扩展分解得到100或110不全位错;此外,纳米空洞的存在提前了基体内部位错产生的时间,加快了位错密度的增长,但并不影响位错的增殖速度.     

铜铅/钢双金属复合材料组织和粘结强度分析

采用双金属复合材料加工工艺制备铜铅/钢双金属复合材料,对复合材料金相组织、合金成分和界面处相组成进行分析,测定铜铅型轴瓦双金属复合材料的粘结强度。结果表明,专用钢背材料和铜铅合金复合,复合材料粘结强度σ为150 MPa;用08Al钢作钢背,复合材料粘结强度为85 MPa。不同钢背材料对双金属粘结强度产生不同影响,双金属界面金相组织观察和二次电子像结合能谱分析表明,铅均匀分布,未产生偏析现象,Fe原子和Cu原子互扩散而提高了双金属粘结强度。     

角度相关函数与径向分布函数分析微组织结构

为了研究纳米加工过程导致材料组织结构的变化,采用分子动力学方法,构建了单晶铜耦合纳动纳米加工模型,并进行了纳米切削过程仿真.提出采用角度相关函数(ADF)结合径向分布函数(RDF)方法,分析单晶铜耦合纳动加工过程中材料亚表面组织结构变化.模拟结果表明,单晶铜(111)表面耦合纳动加工过程中,在材料的亚表面原子存在从密排六方排列转变为面心结构排列的不稳相变.     

单晶铜的包申格效应

单晶铜在实际应用时需经过多次塑性变形,将导致包申格效应的产生,对其后续工艺和产品质量产生影响.对单晶铜在先压缩后拉伸时出现的包申格效应进行了研究,并与多晶铜进行了对比.实验结果表明:单晶铜和多晶铜在正反向加载时均出现包申格效应,在预应变相同的条件下,单晶铜的包申格效应不如多晶铜的显著.单晶铜的包申格效应随预压缩量的增加先增大后减小,在预压缩量为0.156%附近该效应最为显著.多晶铜的包申格效应在预压缩量小于0.2%时变化不明显,大于0.2%时随预压缩量的增加而增加.单晶铜中出现包申格效应的根本原因是反向加载时短程应力的释放,多晶铜中由于存在晶界引起的长程应力,在反向加载时该应力和短程应力同时释放,从而体现出更为显著的包申格效应.     

铁和钨中晶界对材料辐照损伤影响的理论模拟

利用稳态下的化学速率理论并结合晶界效应,对纳米晶材料的抗辐照能力进行研究,发现纳米晶材料的抗辐照能力只与体内空位自身的扩散速率有关,而与吸收偏压(指空位扩散速率与间隙原子扩散速率之比)无关.纳米晶铁和钨都表现出相比多晶优良的性能.采用分子动力学模拟晶界对铁和钨体内间隙原子和空位的吸收能力,研究纳米晶材料在非平衡态下的辐照损伤行为.结果表明,铁中晶界对空位具有很好的俘获能力.对于面向等离子体材料钨,体内中的空位滞留较大,主要是受到了吸收偏压的影响.在未来聚变装置中典型的服役环境下,到达稳态之前,吸收偏压的大小对纳米晶材料的抗辐照能力起决定作用.     

Molecular dynamics simulation of thermal stability of nanocrystalline vanadium

Currently, because of the thermal instability of nanocrystalline (NC) materials, there is little report on their thermal properties. Thus, for the NC, the study on their thermal sta- bility has been an urgent issue from the view of practical application and theoretical re- search. The difficulty for investigating the growth of NC material is to determine the crystal grain size precisely. Crystal grain size is generally determined by electronic mi- croscopes or X-ray diffraction[1]. Experime…     

钛氢合金改进嵌入原子势能的第一原理计算

用第一原理方法计算了钛氢合金的弹性常数、形成热和电子密度因子,在此基础上计算了钛氢合金的体积模量、统一方程中的结构因子、黏附能和平衡距离等改进嵌入原子势能参数.计算结果符合现有的试验值和其他作者的计算值.并进行了相应的分子动力学计算用以验证所得的参数.模拟了氢原子占据∑7（123-0）晶界附近的八面体间隙中心位置的力学行为.对钛氢合金势能中的其他参数也用相同的分子动力学模拟进行了验证.     

MgCO_3对AZ31镁合金晶粒的细化

研究了MgCO3对AZ31镁合金凝固组织的影响。结果表明:随着MgCO3的增加,合金中的β-Mg17Al12相由晶内分布变为晶间分布。在AZ31中添加0.6%的MgCO3,于760℃时保温10min,细化效果最佳。α-Mg晶粒的尺寸由基体合金的570μm降至100μm,降低幅度约为82.5%,抗拉强度提高了57.9%,延伸率约提高了11.1%。通过能谱分析,结合能计算及自由能计算证实,细化机理是MgCO3反应后生成的部分Al4C3质点作为异质核心细化晶粒。多余的Al4C3质点钉扎晶界阻碍晶粒长大。Al元素随固/液界面前沿被快速推至晶界,生成沿晶界生长的β-Mg17Al12相,起到进一步固定晶界的作用。合金元素的分布均有改变。     

Ce的加入对变形铝合金组织与疲劳性能的影响

应用疲劳试验研究了Ｃｅ的加入对铝合金疲劳性能的影响,在加载和观察同时进行的情况下,翔实地记载了裂纹萌徨、扩展、失稳的全过程,应用损伤力学的观点分析了试验结果,在所定义的损伤定量的基础上,通过显微硬度试验,印证了损伤的演变规律,结果表明,Ｃｅ的加入细化了铝合金的晶粒强化晶界,增强了宏观韧性,裂纹扩展减缓,疲劳寿命增加１倍以上。     

铝镁合金固-液界面能分子动力学模拟与计算

通过实验及计算测得准确的固-液界面能,对于理解并掌握该合金凝固及形核的过程具有很大的帮助.用分子动力学方法对铝的均质形核过冷度进行了模拟,运用模拟得到的均质形核过冷度计算得到对应固-液界面能的值.进一步得到了Al在熔点温度下其理想光滑固-液界面的固-液界面能σ0,通过σ0对铝在不同温度下及Al-Mg在共晶温度和成分点的固-液界面能进行了预测.计算结果发现：不同均质形核过冷度计算得到的Al在熔点温度下其理想光滑固-液界面的固-液界面能σ0分别为0.199 8,0.199 9,0.199 8J/m2;由σ0对Al-Mg合金固-液界面能的预测的结果及凹槽法所得到的实验值分别为0.155 1J/m2和0.149 2±0.019 4J/m2,其误差小于4%.     

Effects of zinc on static and dynamic mechanical properties of copper-zinc alloy

The effects of adding alloy element zinc on the static and dynamic mechanical properties of copper-zinc alloy were investigated. Tensile and low cycle fatigue behaviors of the C11000 copper and H63 copper-zinc alloy were obtained by using a miniature tester that combined the functions of in situ tensile and fatigue testing. A piezoelectric actuator was adopted as the actuator for the fatigue testing, and the feasibility of the fatigue actuator was verified by the transient harmonic response analysis based on static tensile preload and dynamic sinusoidal load. The experimental results show that the yield strength and tensile strength of the C11000 copper are improved after adding 37%(mass fraction) zinc, and H63 copper-zinc alloy presents more obvious cyclic hardening behavior and more consumed irreversible plastic work during each stress cycle compared with C11000 copper for the same strain controlled cycling. Additionally, based on the Manson-Coffin theory, the strain-life equations of the two materials were also obtained. C11000 copper and H63 copper-zinc alloy show transition life of 16832 and 1788 cycles, respectively.     

Effects of grain size on phase transition behavior of nanocrystalline shape memory alloys

We report recent advances in the experimental and theoretical study of grain size(GS)effects on the thermal and mechanical properties of nanostructured NiTi polycrystalline shape memory alloy(SMA).It is shown that when GS<60 nm,the superelastic stress-strain hysteresis loop area(H)of the polycrystal decreases rapidly with GS and tends to vanish as GS approaches 10 nanometers.At the same time,the temperature dependence of the transition stress also decreases with GS and eventually approaches zero,leading to a wide superelastic temperature window and breakdown of the Clausius-Claperyon relationship.Rate dependence of the stress-strain responses is significantly reduced and the cyclic stability of the material is improved by the nanocrystallization.It is proposed that the emergence of such significant changes in the behavior of the material with GS reduction originate from the large increase in the area-to-volume ratios of the nanometer-thick interfaces(grain boundary and Austenite-Martensite(A-M)interface)in the polycrystal.In particular,with GS reduction,interfacial energy terms will gradually become dominant over the bulk energy of the crystallite,eventually bring fundamental changes in the phase transition responses of the material.Modelling strategy leading to the establishment of quantitative relationships among GS,grain boundary,A-M interfaces and the macroscopic responses of the material are outlined.     

异种金属材料焊接性的研究：HSn62—1与1Cr18Ni9Ti焊接铜渗透裂纹

本文是在冷却器HSn62—1黄铜与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢熔—钎焊(Welding—braze)工艺试验的基础上,采用铜合金焊丝对奥氏体不锈钢的焊接中产生铜渗透裂纹进行了机理的研究。通过熔一钎焊的TIG工艺大量试验数据表明,液态铜对奥氏体不锈钢润湿、渗透,在焊接应力作用下,沿晶界渗透扩展而开裂,并且在裂纹中充满了液态铜。由于液态铜使晶界表面能明显降低,同时对裂纹尖端壁面产生一种附加压力,促使液态铜沿晶界加速扩展,形成奥氏体不锈钢液态金属脆化而导致铜的渗透裂纹。 本试验采用七种钢合金焊丝进行熔一钎焊的TIG最佳工艺试验,提出了适用的焊丝,指明了产生铜渗透裂纹的基本规律,为完善异种金属焊接提供了理论依据。