不同晶向下Cu-Al功能梯度合金的力学性能分析

《Chemical Physics》：Mechanical property analysis of Cu Al functionally graded alloys under different crystallographic orientations

Cu-Al功能梯度材料在不同晶体学取向下的单轴拉伸变形行为通过分子动力学模拟研究，发现〈1 1 1〉和〈1 1 0〉取向因原子堆积紧密和滑移系多，呈现更高屈服强度和延迟孔洞形核，而〈0 1 0〉和〈1 1 2〉取向在较低应变下失稳。应力-应变曲线与势能曲线强相关，显示能量累积与缺陷演化的耦合。位错分析表明1/6〈1 1 2〉肖克利部分位错主导，密度和演化随取向变化，并发生FCC到HCP和玻璃态的结构转变。

　　

张建伟|赵琦|张磊|王金云|孙成

沈阳航空航天大学安全工程学院，中国沈阳 110000

摘要

本研究利用分子动力学模拟，研究了不同晶向（〈0 1 0〉、〈1 1 0〉、〈1 1 1〉、〈1 1 2〉）下Cu-Al功能梯度合金的单轴拉伸变形行为。结果表明，〈1 1 1〉和〈1 1 0〉晶向具有密集的原子排列和多个滑移系，表现出更高的屈服强度和延迟的空洞形成。相比之下，〈0 1 0〉和〈1 1 2〉晶向在较低应变下就进入塑性变形阶段，导致早期不稳定。应力-应变曲线与势能曲线高度相关，表明能量积累与缺陷演化之间存在耦合。位错分析显示，1/6〈1 1 2〉肖克利部分位错在所有晶向上均占主导地位，其密度和演化程度因晶向而异。此外，从面心立方（FCC）结构向体心立方（HCP）结构和非晶结构的转变是主要的塑性机制，尤其在〈1 1 2〉晶向中表现得尤为明显。这些发现突显了Cu-Al功能梯度合金力学性能的强烈晶向依赖性，并为优化梯度材料设计提供了见解。

引言

功能梯度材料（FGMs）是一类通过连续的成分或结构梯度来控制性能的先进复合材料，由于其在极端服役环境中的优异热机械协同性能，在航空发动机热障涂层和汽车涡轮叶片等领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。传统的均质材料在复杂服役条件下的性能要求越来越难以满足，FGMs的出现为解决高温、高载荷和多场耦合环境中的可靠性问题提供了新的方法[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。自1972年Bever首次提出FGMs的概念[12]以来，相关研究不断进展，日本学者Shinano和Hirai等人于1987年首次将其应用于航空航天项目[13]，从而引发了FGMs的系统性研究。然而，尽管通过等离子喷涂、化学气相沉积、离心铸造和粉末冶金等方法成功制备了多种类型的FGMs[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，但在复杂部件成型、界面连续性和结构稳定性方面仍存在显著局限性。

近年来，分子动力学（MD）模拟已成为连接微观结构演变和宏观力学性能之间的有力工具，并被广泛用于揭示功能梯度材料（FGMs）的多尺度变形机制[25]、[26]。研究表明，梯度分布和晶向在决定材料的弹性模量、屈服行为和失效模式方面起着决定性作用[27]、[28]、[29]。例如，Pablo等人[30]发现晶向差异可以诱导线性原子链的动态重构；Zhao等人[31]通过模拟揭示了纳米孔对铜单晶力学性能的各向异性影响；Abraham等人[32]证实晶向在三维缺口材料的失效模式中起着关键作用。这些发现强调了晶向依赖性是影响梯度合金力学响应的重要因素。

关于Cu-Al功能梯度合金的研究主要集中在低应变率下的静态力学性能和局部结构演变，如弹性模量、屈服强度和位错滑移机制的研究。Mojumder等人[33]观察到少量Cu掺杂可以通过固溶强化改变Al的位错滑移路径；Yang等人[34]揭示了Cu-Al核壳结构在扭转载荷下的FCC到HCP相变机制；Sarkar等人[35]比较了不同结构配置下的弹性模量和位错动态特性。

然而，目前尚缺乏对不同晶向下Cu-Al功能梯度合金在高应变率动态拉伸条件下的变形机制和跨尺度效应的系统性研究。为此，本研究采用分子动力学（MD）模拟，系统地比较和分析了Cu-Al功能梯度合金在〈0 1 0〉、〈1 1 0〉、〈1 1 1〉和〈1 1 2〉晶向下的力学响应，重点探讨了应力-应变行为、位错演化和晶格结构转变的晶向依赖性。本研究的结果有助于更深入地理解梯度合金的各向异性力学性能，并为高性能结构材料的设计和优化提供理论指导。

方法与模型

本研究选择了〈0 1 0〉、〈1 1 0〉、〈1 1 1〉和〈1 1 2〉晶向作为Cu-Al功能梯度合金的拉伸方向，使用LAMMPS软件进行单轴拉伸模拟。选择这些晶向是因为它们在面心立方（FCC）金属体系中具有代表性，能够体现从高密度到非高密度方向的多种原子排列。选择〈1 1 1〉晶向是因为它能够激活...

不同晶向下Cu-Al功能梯度合金的拉伸性能分析

图2展示了Cu-Al功能梯度合金在〈0 1 0〉、〈1 1 0〉、〈1 1 1〉和〈1 1 2〉晶向下的应力-应变曲线（a）和相应的势能-应变曲线（b）。图中清楚地显示了四种晶向下的显著各向异性特征。〈1 1 1〉晶向表现出最高的峰值应力，而〈0 1 0〉晶向在较低应变下变得不稳定。〈1 1 0〉晶向表现出更高的屈服应力...

结论

基于分子动力学模拟，本研究系统研究了Cu-Al功能梯度合金在〈0 1 0〉、〈1 1 0〉、〈1 1 1〉和〈1 1 2〉晶向下的单轴拉伸行为，揭示了应力-应变响应、位错演化和微观结构转变的晶向依赖性。主要结论如下：

(1)

〈1 1 1〉和〈1 1 0〉晶向具有密集的原子排列和丰富的滑移系

作者贡献声明

张建伟：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、研究。赵琦：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、软件使用、资源提供。张磊：监督、资源提供、研究、资金获取。王金云：方法论、数据管理、概念构思。孙成：可视化、监督、软件使用。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了沈阳航空航天大学“航空数字化制造工艺基础科学国家重点实验室开放基金”（项目编号：SHSYS202401）的支持。