王勝 陳晶晶 翁盛檳

1) (衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,衢州 324000)

2) (寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院,寧德 352100)

3) (衢州學(xué)院工程實(shí)訓(xùn)中心,衢州 324000)

位錯(cuò)是金屬塑性變形普遍形式,對(duì)其可動(dòng)位錯(cuò)演化特性與規(guī)律探尋并充分利用,將在金屬?gòu)?qiáng)韌化提升中有著潛在基礎(chǔ)前瞻性研究?jī)r(jià)值.本文基于分子動(dòng)力學(xué)法對(duì)金屬Al塑性變形的可動(dòng)位錯(cuò)遷演特性展開(kāi)研究,洞悉納米壓痕誘導(dǎo)的可動(dòng)位錯(cuò)與孿晶界面間作用規(guī)律,揭示出金屬?gòu)?qiáng)化微觀機(jī)制,并分析單層孿晶界高度與多層孿晶界層間距對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)遷演、位錯(cuò)密度、硬度、黏著效應(yīng)的影響.研究發(fā)現(xiàn):高速變形下的金屬非晶產(chǎn)生和密排六方結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會(huì)協(xié)同主導(dǎo)Al基塑性變形,而孿晶界會(huì)阻礙可動(dòng)位錯(cuò)滑移、誘導(dǎo)可動(dòng)位錯(cuò)纏繞及交滑移產(chǎn)生,在金屬承載提升中扮演了位錯(cuò)墻和誘導(dǎo)位錯(cuò)胞形成的微觀作用.通過(guò)在孿晶界形成釘扎位錯(cuò)和限制位錯(cuò)遷移,在受限域形成高密度局域可動(dòng)位錯(cuò),顯著強(qiáng)化了金屬硬度和韌性,降低了卸載時(shí)黏附于探針表面的原子數(shù).結(jié)果表明:Al基受載會(huì)誘導(dǎo)上表面局部非接觸區(qū)原子失配斑出現(xiàn);單層孿晶界高度離基底上表面距離減小時(shí),位錯(cuò)纏繞和交滑移作用越明顯,抗黏著效應(yīng)也隨之下降;載荷持續(xù)增加會(huì)誘驅(qū)孿晶界成為位錯(cuò)萌生處與發(fā)射源,并伴隨塑性環(huán)的繁衍增殖.

1 引言

21世紀(jì)是納米科技發(fā)展黃金時(shí)期,匯聚了物理、化學(xué)、材料、力學(xué)、電學(xué)、信息學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科前沿知識(shí),是大有所為和能拓展知識(shí)邊界的疆域.當(dāng)材料處納尺度時(shí),由于量子效應(yīng)、表/界面效應(yīng)、小尺度效應(yīng)存在,材料理化性質(zhì)將呈現(xiàn)出與宏觀截然不同的奇異物性.目前也尚無(wú)完善理論或新研究范式能有效統(tǒng)一納尺度和宏觀尺度的材料物化性質(zhì)差異和對(duì)立矛盾點(diǎn),而從納觀角度對(duì)材料微結(jié)構(gòu)演化與其對(duì)應(yīng)物化性質(zhì)的相關(guān)性研究有著極為重要的潛在科學(xué)探索意義.目前實(shí)驗(yàn)法和理論計(jì)算已成為知悉材料微觀特性與提升材料力學(xué)性能的主要研究手段,可是僅基于實(shí)驗(yàn)法理解材料優(yōu)異力學(xué)性能的潛藏機(jī)制仍十分有限,實(shí)驗(yàn)法不僅對(duì)測(cè)試儀器精度、操作技術(shù)、測(cè)試環(huán)境等要求極為嚴(yán)苛,而且所耗人物財(cái)代價(jià)也極高昂.因此,大規(guī)模計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)法(MD)以精準(zhǔn)獲得體系微觀原子遷移細(xì)節(jié)和揭示材料性能的微觀機(jī)制優(yōu)勢(shì),成為探索納尺度材料微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其宏觀性質(zhì)背后機(jī)理知悉的強(qiáng)有力輔助性工具.

查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知,納米晶金屬或合金材料塑性變形微觀特征[1,2]、強(qiáng)韌化機(jī)制理解[3,4]、納米晶奇異物性探究[5?13],如高應(yīng)變率敏感性[5?8]、應(yīng)力驅(qū)動(dòng)晶粒生長(zhǎng)[9?10]、塑性應(yīng)變回復(fù)[11?13]等前瞻性科學(xué)問(wèn)題激發(fā)了學(xué)者極大興趣.李曉雁[14]用MD模擬表明,納米晶Al的Bauschinger效應(yīng)產(chǎn)生源于卸載時(shí)的位錯(cuò)反向運(yùn)動(dòng),引發(fā)位錯(cuò)之間反應(yīng),造成位錯(cuò)密度降低.Fr?seth等[15]研究了金屬Al受拉伸的臨近孿晶界介導(dǎo)的塑性變形,從孿晶主導(dǎo)力學(xué)性能的變化展開(kāi)分析,結(jié)果指出:點(diǎn)陣位錯(cuò)從階梯結(jié)構(gòu)與一般晶界的交點(diǎn)發(fā)射,導(dǎo)致位錯(cuò)活動(dòng)顯著.相關(guān)文獻(xiàn)也表明[16?18]:金屬塑性變形的位錯(cuò)演變是誘導(dǎo)材料力學(xué)性能發(fā)生改變的內(nèi)因.Kizuka等[19]用高分辨顯微鏡觀察到室溫?zé)o缺陷金受拉伸、壓縮、剪切作用的原子遷演動(dòng)態(tài)過(guò)程.Zhang等[20]發(fā)現(xiàn)超細(xì)金屬中通過(guò)引入孿晶界時(shí),對(duì)其拉伸時(shí)可提高超細(xì)金屬?gòu)?qiáng)度和延展性,通過(guò)控制孿晶界的層間距能進(jìn)一步提高金屬力學(xué)性能,而對(duì)其強(qiáng)韌化機(jī)理缺乏深入分析.Wang等[21]基于實(shí)驗(yàn)法和MD法結(jié)合,對(duì)銅柱壓縮的力學(xué)性能展開(kāi)分析,發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)在試樣表面上會(huì)不均勻成核并產(chǎn)生滑移,模擬和實(shí)驗(yàn)一致表明納米孿晶結(jié)構(gòu)在塑性變形中能夠承受更高載荷.Kou等[22]用透射電子顯微鏡對(duì)純Al進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn)和MD模擬,揭示了局域?qū)\晶響應(yīng)的裂紋機(jī)制,指出孿晶界的固有脆性及其位錯(cuò)活動(dòng)有利于裂紋產(chǎn)生,鋁中的孿晶主要通過(guò)釋放裂紋尖端的集中應(yīng)力來(lái)抑制裂紋開(kāi)裂.Yamakov等[23]用MD法分析了高應(yīng)力下金屬Al復(fù)雜孿晶網(wǎng)格的形成機(jī)制,指出位錯(cuò)與孿晶界的反應(yīng)是出現(xiàn)應(yīng)變硬化的主因.Zhang等[24]指出多晶Cu的層錯(cuò)和孿晶界在內(nèi)的六方密堆結(jié)構(gòu)會(huì)加速晶界遷移,而晶界遷移對(duì)力學(xué)性能的影響是通過(guò)改變密排六方結(jié)構(gòu)的組分和分布實(shí)現(xiàn).Liao等[25]發(fā)現(xiàn)高層錯(cuò)能Al中有形變孿晶產(chǎn)生,并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了形變孿晶的產(chǎn)生是晶界處逐層發(fā)射偏位錯(cuò)導(dǎo)致.Huang等[26]研究了體心立方Ta薄膜受納米壓痕時(shí)的位錯(cuò)環(huán)與共格孿晶界間的相互作用,發(fā)現(xiàn)孿晶界可強(qiáng)烈影響Ta薄膜的應(yīng)力分布,從而改變位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和類(lèi)型.Ryu等[27]用三維位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型探索了載荷誘導(dǎo)單晶銅微柱的位錯(cuò)演變規(guī)律,表明在不同加載條件下產(chǎn)生的位錯(cuò)微結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響微柱宏觀機(jī)械性能.經(jīng)對(duì)上述文獻(xiàn)調(diào)研分析得知,目前孿晶界面對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)和微觀演化特征主要集中于切削、磨屑、拉伸、剪切等過(guò)程的研究,而缺乏孿晶界面對(duì)納米壓痕時(shí)的可動(dòng)位錯(cuò)演化特征規(guī)律的系統(tǒng)研究,并且對(duì)金屬力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)制的貢獻(xiàn)和抗黏著效應(yīng)的機(jī)理知悉仍十分有限,因此有必要進(jìn)一步深入研究并量化對(duì)比來(lái)闡述金屬力學(xué)性能強(qiáng)化的主因.

本文通過(guò)構(gòu)建具有Berkovich壓頭外形特征的正三棱錐探針與單晶Al、孿晶Al的三維納尺度物理模型,提煉出納米壓痕誘導(dǎo)金屬可動(dòng)位錯(cuò)的演化規(guī)律,著重觀察孿晶界對(duì)壓痕可動(dòng)位錯(cuò)演化的過(guò)程,揭曉可動(dòng)位錯(cuò)與孿晶界間相互作用規(guī)律,并探討單層孿晶界高度和多層孿晶界層間距對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)遷變特性、位錯(cuò)密度、黏著效應(yīng)、承載荷及硬度的差異,為界面設(shè)計(jì)、金屬力學(xué)性能提升提供重要基礎(chǔ),也為推動(dòng)新型微/納金屬器件的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)奠定理論基礎(chǔ).

2分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

2.1 條件設(shè)置

圖1為納米針尖形探針(類(lèi)Berkovich壓頭外形)與單晶Al、孿晶Al的三維原子尺度接觸模型.建模時(shí),保持單晶Al和孿晶Al基底尺寸一致,其X,Y,Z尺寸分別為54.57,57.27,29 nm,晶向依次為Al基原子總數(shù)為5486477個(gè).正三棱錐探針棱邊長(zhǎng)為D=34.2 nm,高h(yuǎn)=14.35 nm,探針原子總數(shù)為456979個(gè).納米壓痕中,探針作為基底受載的源泉,并剛性化處理,即忽略探針內(nèi)部之間相互作用力.Al晶格常數(shù)為0.405 nm,金剛石晶格常數(shù)為0.3567 nm.圖1(b)黑色箭頭指示的HCP結(jié)構(gòu)表示孿晶界,字母d表示孿晶界離基底上表面距離(見(jiàn)圖1(b)).探針下壓位移用字母X表示.模擬時(shí),物理模型Z軸用非周期性邊界,X和Y軸用周期性邊界.另單晶Al和孿晶Al基底分成3個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖1(a)),每個(gè)區(qū)分別表示固定層、恒溫層、牛頓層,恒溫層和牛頓層統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)層.固定層是防止最底部原子在牛頓方程計(jì)算迭代時(shí)引起位移遷變而影響計(jì)算精度[28].壓痕前,探針最底部離基底上表面距離為1 nm,并采用共軛梯度算法優(yōu)化該晶體結(jié)構(gòu).為更好了解基底塑性變形的微觀結(jié)構(gòu)演化特征,應(yīng)避免熱波動(dòng)帶來(lái)額外影響.所以,給予體系運(yùn)動(dòng)層原子賦予低溫10 K初始溫度,并采用朗之萬(wàn)控溫法控制運(yùn)動(dòng)層溫度為10 K[29].本文物理模型皆在NVE系綜完成牛頓方程迭代,模擬時(shí)間步長(zhǎng)取1 fs[28].待模型充分弛豫600 ps,達(dá)到結(jié)構(gòu)、溫度、總能的平衡后,給予針尖形探針以恒定速度40 m/s加載基底,該加載速度常被用于納米壓痕的理論計(jì)算選擇[28?30].模擬時(shí),探針下降最大位移X為10 nm,該位移可充分讓單晶Al可動(dòng)位錯(cuò)在基底內(nèi)不受晶界阻礙,能真實(shí)展現(xiàn)基底內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)行為.縮短計(jì)算時(shí)間和避免卸載時(shí)彈塑性變形恢復(fù)加劇,設(shè)探針以恒定速度80 m/s撤回.整個(gè)計(jì)算實(shí)施基于開(kāi)源LAMMPS軟件完成[31].

圖1 單晶Al和孿晶Al的納米壓痕三維原子物理模型Fig.1.Three dimensional physical model for single crystal aluminum and twin aluminum substrates constructed by atomic simulation method.

2.2 作用力選擇

本文采納EAM勢(shì)函數(shù)[32]可很好地描述Al-Al間相互作用,相關(guān)文獻(xiàn)[20,33]表明該勢(shì)函數(shù)在研究Al的變形描述有顯著優(yōu)勢(shì),其EAM勢(shì)函數(shù)表達(dá)式為

式中:Etot為總能量;右式第一項(xiàng)為原子i,j之間的對(duì)勢(shì);第二項(xiàng)為嵌入勢(shì).

針尖形探針同單晶Al和孿晶Al基底間相互作用采用Morse勢(shì)函數(shù)[34],其表達(dá)式為

式中,D表示結(jié)合能系數(shù),α表示勢(shì)能曲線梯度系數(shù),r0表示分子之間作用力為0時(shí)的平衡態(tài)原子間距,其3個(gè)參數(shù)選取來(lái)源文獻(xiàn)[33],選定D=0.28 eV,α=27.8 nm–1,r0=0.22 nm.

2.3 結(jié)構(gòu)類(lèi)型描述

運(yùn)用CNA方法[35]識(shí)別Al基底內(nèi)部變形類(lèi)型.其中,綠色原子表示面心立方結(jié)構(gòu)(FCC),紅色原子表示密排六方結(jié)構(gòu)(HCP),藍(lán)色原子表示體心立方結(jié)構(gòu)(BCC),白色原子表示其他結(jié)構(gòu)(other),即非晶.在孿晶建模時(shí),可看出孿晶Al中只有HCP界面結(jié)構(gòu),表示孿晶界面存在(見(jiàn)圖1(b)).

2.4 應(yīng)力與應(yīng)變描述

結(jié)構(gòu)變形是當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)一臨界值發(fā)生,與接觸區(qū)應(yīng)力有關(guān),本文用靜水應(yīng)力描述結(jié)構(gòu)變形程度[36],其靜水應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)(3)式.另采用剪切應(yīng)變公式描述接觸區(qū)應(yīng)變度[30],其表達(dá)見(jiàn)(4)式.

式中:σxx,σyy,σzz分別表示應(yīng)力張量分量;ηxx,ηyy,ηzz,ηxz,ηxy,ηyz分別表示剪切應(yīng)變分量.

3 結(jié)果與分析

3.1 壓痕變形分析

圖2為探針下壓位移X=10 nm的單晶Al和孿晶Al受載變形行為,為了解其變形特性,采用中心對(duì)稱(chēng)參數(shù)法(CSP)識(shí)別基底被壓表面原子失配程度.觀察圖2可知,基底上表面受載產(chǎn)生的原子失配程度有明顯差異,與孿晶界距離基底上表面距離d有強(qiáng)烈依賴性,即隨孿晶界距離上表面越近,基底原子失配程度逐漸加強(qiáng),且上表面出現(xiàn)明顯的原子失配斑(見(jiàn)圖2虛線紅色圈圈).此外,探針接觸緊密邊緣都出現(xiàn)程度不一的原子失配.基底受壓時(shí),接觸區(qū)產(chǎn)生正三角形凹坑區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)應(yīng)力集中(見(jiàn)圖2黑色箭頭),會(huì)誘導(dǎo)緊密接觸邊緣的原子發(fā)生失配,是導(dǎo)致基底上表面局部非接觸區(qū)出現(xiàn)原子失配斑的主要外因,而深層次解釋原子失配斑內(nèi)因詳見(jiàn)下文闡述.

圖2 單晶Al和孿晶Al納米壓痕時(shí)塑性變形差異Fig.2.Plastic deformation are compared between single crystal Al and twin Al during nano-indentation.

圖3(a)—(d)為探針下壓位移X=10 nm的單晶Al和孿晶Al的上表面剪切變形特性.圖3(a)—(d)示出基底上表面出現(xiàn)不同程度的剪切帶(見(jiàn)圖3(b)輕綠色箭頭),該剪切帶的滑移方向呈四周發(fā)射和相互交叉作用特征,且滑移帶角度交叉呈現(xiàn)出60°和120°,且面心金屬受載時(shí)的內(nèi)部變形出現(xiàn)可動(dòng)位錯(cuò)不斷產(chǎn)生滑移(見(jiàn)圖3(e)—(h)).另外,面心金屬會(huì)通過(guò)此滑移方式釋放受載產(chǎn)生的應(yīng)力集中,起到抵抗變形作用,以此實(shí)現(xiàn)金屬韌性增強(qiáng).此外,觀察圖3(e)—(h)的基底內(nèi)結(jié)構(gòu)演化知,單晶Al塑性變形擴(kuò)展程度最深,孿晶Al基底的擴(kuò)展程度與孿晶界距離基底上表面距離d有直接關(guān)聯(lián),且孿晶界對(duì)位錯(cuò)表現(xiàn)出明顯的阻礙作用,以致可動(dòng)位錯(cuò)不斷塞積于孿晶界與上表面非晶界的狹窄通道,最后在緊密接觸區(qū)形成明顯的位錯(cuò)胞三維空間結(jié)構(gòu),該空間結(jié)構(gòu)內(nèi)存有大量位錯(cuò)類(lèi)型.基底高速受載時(shí),應(yīng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)緊密接觸區(qū)產(chǎn)生大量非晶結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3和圖4所示),表明高速變形情況下,金屬的非晶產(chǎn)生和密排六方HCP結(jié)構(gòu)出現(xiàn)會(huì)協(xié)同主導(dǎo)Al基塑性變形.

圖3 單晶Al和孿晶Al納米壓痕時(shí)剪切變形差異Fig.3.Shear stain difference between single crystal Al and twin Al during nano-indentation.

3.2 孿晶界對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)演化分析

為詳細(xì)洞悉面心金屬Al材質(zhì)在壓痕時(shí)產(chǎn)生的可動(dòng)位錯(cuò)演化特性,揭示可動(dòng)位錯(cuò)與孿晶界間相互作用規(guī)律,圖4給出單晶Al和孿晶Al在探針下壓不同位移時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)載荷的響應(yīng).觀察圖4(a)可知,單晶Al受載時(shí)有大量位錯(cuò)環(huán)構(gòu)型產(chǎn)生(見(jiàn)圖4(a)黑色箭頭),且隨探針下壓位移增加,塑性環(huán)不斷增殖繁衍與擴(kuò)展舒張,該位錯(cuò)環(huán)詳細(xì)演變過(guò)程的總結(jié)與機(jī)制解釋在文獻(xiàn)[1]中已有相關(guān)報(bào)道,獲得一致趨勢(shì),間接驗(yàn)證本文勢(shì)函數(shù)和參數(shù)選擇是合理的.觀察圖4(b)和圖4(c)知,由于壓痕產(chǎn)生的可動(dòng)位錯(cuò)類(lèi)型較多,且滑移(111)面滑移系多,以致壓痕產(chǎn)生的可動(dòng)位錯(cuò)在剛接觸孿晶界時(shí),一些可動(dòng)位錯(cuò)會(huì)被孿晶界吸收;通過(guò)對(duì)比無(wú)孿晶界的圖4(a)和有孿晶界的圖4(b)可知,孿晶界還會(huì)明顯阻礙位錯(cuò)的滑移,表明孿晶界對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)起到位錯(cuò)墻作用.隨著探針下壓位移繼續(xù)增加,孿晶界對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)滑移的限制作用越明顯,以致可動(dòng)位錯(cuò)沿著孿晶界產(chǎn)生舒張滑移(見(jiàn)圖4(b)紅色箭頭),導(dǎo)致孿晶界不斷有位錯(cuò)釘扎和堆積產(chǎn)生(見(jiàn)圖4(c)藍(lán)色箭頭).此外,孿晶界與上表面非晶界的狹窄通道在載荷驅(qū)動(dòng)下,一方面會(huì)迫使可動(dòng)位錯(cuò)改變滑移方向,可動(dòng)位錯(cuò)也會(huì)繼續(xù)朝左右兩側(cè)滑移并擴(kuò)張(見(jiàn)圖4(b)綠色箭頭);另一方面會(huì)驅(qū)動(dòng)孿晶界稱(chēng)為新位錯(cuò)萌生處和位錯(cuò)環(huán)的發(fā)射源,該位錯(cuò)環(huán)會(huì)隨探針下壓位移增加而持續(xù)繁衍生長(zhǎng)及增殖(見(jiàn)圖4(b)淺棕色箭頭),以此擴(kuò)大塑性變形區(qū).通過(guò)對(duì)比圖4(b)與圖4(c)對(duì)應(yīng)位移的不同微結(jié)構(gòu)特性可知,隨著孿晶界d距離的減小,可動(dòng)位錯(cuò)表現(xiàn)出的位錯(cuò)纏繞和交滑移產(chǎn)生也越明顯,且孿晶界的位錯(cuò)環(huán)發(fā)射也更加突出.由此可見(jiàn),孿晶界存在與否對(duì)金屬內(nèi)在塑性變形可動(dòng)位錯(cuò)遷變控制起到十分顯著作用.壓痕誘導(dǎo)金屬塑性變形產(chǎn)生的可動(dòng)位錯(cuò)與孿晶界間的接觸演化規(guī)律呈現(xiàn)以下先后順序特征:孿晶界先吸納一些可動(dòng)位錯(cuò)→改變一些可動(dòng)位錯(cuò)滑移方向→可動(dòng)位錯(cuò)釘扎界面處→孿晶界成新位錯(cuò)萌芽地和位錯(cuò)環(huán)發(fā)射源.圖5清晰展示出可動(dòng)位錯(cuò)對(duì)孿晶界面的驅(qū)動(dòng)變形特性,從圖5知,可動(dòng)位錯(cuò)遇到孿晶界時(shí),可動(dòng)位錯(cuò)會(huì)驅(qū)動(dòng)孿晶界出現(xiàn)層錯(cuò)排(見(jiàn)圖5(c)),層錯(cuò)間原子處于失配,形成非晶態(tài)(見(jiàn)圖5(a)和5(b)),且非晶數(shù)隨孿晶界距上表面距離d減小而越加凸顯.為更好了解孿晶界對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的影響是否會(huì)改變金屬材質(zhì)力學(xué)性能,圖6定量描述了其強(qiáng)化提升效率.

圖4 單晶Al和孿晶Al納米壓痕可動(dòng)位錯(cuò)演化特性對(duì)比Fig.4.Evolution characteristics of movable dislocation are compared by single crystal Al and twin Al during nano-indentation.

圖5 壓痕可動(dòng)位錯(cuò)對(duì)孿晶Al變形影響Fig.5.Influence of movable dislocation on the deformation of twin Al during nano-indentation.

圖6給出上述孿晶界高度對(duì)壓痕的可動(dòng)位錯(cuò)密度、黏著效應(yīng)、承載力與硬度屬性的量化對(duì)比.圖6(d)的平均載荷統(tǒng)計(jì)方法是依據(jù)接觸力為0時(shí)的壓痕位移到壓痕末尾位移的對(duì)應(yīng)載荷取平均值.硬度計(jì)算[37]根據(jù)公式H=F/S,F表示壓痕的平均載荷,S表示接觸面積.從圖6(d)知,隨著孿晶層高度的降低,基底平均承載力從498.48 nN提升到548.77 nN,硬度從2.63 GPa變?yōu)?.89 GPa,硬度提高了近10%,表明單層孿晶界高度可有效強(qiáng)化金屬力學(xué)性能,其主要?dú)w因于納米壓痕中的可動(dòng)位錯(cuò)會(huì)交叉滑移,位錯(cuò)之間互相糾纏,以致受限域位錯(cuò)密度極大提升(見(jiàn)圖6(b)).圖6(c)表明納米壓痕單晶Al和孿晶Al時(shí),Al基底受載時(shí)產(chǎn)生的密排六方結(jié)構(gòu)較多,且隨探針下壓位移增加而逐漸增多;隨著孿晶高度d減小,密排六方結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(見(jiàn)圖6(c)紅色),而非晶結(jié)構(gòu)逐漸增多(見(jiàn)圖6(c)綠色).另外,納米壓痕卸載階段,可看出基底粘附于探針表面原子數(shù)目隨孿晶界高度的降低逐漸呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(見(jiàn)圖6(e)),其主因歸于孿晶界高度的降低,局域區(qū)可動(dòng)位錯(cuò)互相纏繞會(huì)增強(qiáng)探針與基底緊密接觸區(qū)的接觸剛度,表明孿晶界高度d在強(qiáng)化金屬力學(xué)性能同時(shí),可有效降低面心金屬粘著效應(yīng)的產(chǎn)生,提高了金屬韌性.

圖6 (a) 納米壓痕中的載荷與位移曲線;(b) 位錯(cuò)線密度與位移曲線;(c)相變轉(zhuǎn)化類(lèi)型與位移關(guān)系;(d) 硬度與孿晶界高度曲線;(e)卸載的粘著數(shù)目與孿晶界高度曲線Fig.6.(a) Load vs.displacement during nano-indentation;(b) dislocation density vs.displacement;(c) phase transition of structure number vs.displacement,(d) hardness vs.twin boundary height,(e) adhesive number vs.twin boundary height.

3.3 強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)孿晶層數(shù)依賴性分析

圖7(a)—(d)示出孿晶Al納米壓痕塑性變形的可動(dòng)位錯(cuò)演化特征.觀察圖7(a)—(d) 知,孿晶界可有效阻礙壓痕的可動(dòng)位錯(cuò)傳播,并將可動(dòng)位錯(cuò)局域于孿晶層間距的通道中.當(dāng)載荷增加到一定程度時(shí),下一個(gè)孿晶界會(huì)驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)率先在孿晶界面形核,并演變其構(gòu)型,成為新位錯(cuò)的萌生源和塑性環(huán)繁衍增殖區(qū).保持孿晶界高度d一致時(shí)(見(jiàn)圖7(a),(b)),多層孿晶界比單層孿晶界對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的局域效果更顯著,使得圖7(g)的硬度值提高了.在孿晶界高度d不變下,孿晶界高度d以下區(qū)域的孿晶層間距n越小,壓痕的可動(dòng)位錯(cuò)局域效果也越明顯,以致圖7(g)對(duì)應(yīng)的硬度值得到提升.在保持孿晶層間距n一致時(shí)(見(jiàn)圖7(b)和圖7(d)),孿晶層間距越小,層間距通道中局域的可動(dòng)位錯(cuò)越緊密,每個(gè)層間距之間局域的可動(dòng)位錯(cuò)分布結(jié)構(gòu)也更均勻,呈現(xiàn)梯度式衰減趨勢(shì)不明顯.從圖7(g)知,多層孿晶層間距n=3.8 nm時(shí)的硬度較其余情況是最硬的,而圖7(d)的孿晶界對(duì)局域可動(dòng)位錯(cuò)的特征也較圖7(a)—(c)更緊湊,再次表明孿晶界會(huì)誘導(dǎo)和阻礙可動(dòng)位錯(cuò)遷移改變,展現(xiàn)出位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞的作用,以此強(qiáng)化了金屬材質(zhì)力學(xué)性能.

圖7 強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)孿晶Al層數(shù)依賴性的定性與定量評(píng)價(jià) (a)—(d)多層孿晶塑性變形過(guò)程;(e)多層孿晶界高度d和層間距n示意;(f)載荷與位移曲線;(g)接觸力0時(shí)的探針位移到探針最大下降位移的平均硬度值Fig.7.Qualitative and quantitative evaluation of the dependence of strengthening effect on single or multilayer layers for twin Al:(a)–(d) Multi-layer twinning plastic deformation process;(e) schematic diagram described according to twin height d and inter-layer distance n;(f) load vs.displacement;(g) average hardness and calculated between tip displacement at initial phase as the contact force is zero and its displacement at last stage.

4 結(jié)論

本文從原子尺度由淺入深地探析了納米壓痕誘導(dǎo)的金屬孿晶Al塑性變形微觀演化特征,從微觀角度展示出金屬材質(zhì)塑性變形的可動(dòng)位錯(cuò)與孿晶界面的相互作用規(guī)律,并量化比對(duì)單層孿晶界面高度與多層孿晶界層間距對(duì)壓痕可動(dòng)位錯(cuò)特性、位錯(cuò)密度、黏著效應(yīng)、硬度的顯著差異,提出孿晶界面工程可操控金屬力學(xué)性能增強(qiáng)增韌.

1) 單晶Al和孿晶Al基底受載時(shí),應(yīng)力集中會(huì)驅(qū)動(dòng)密排六方結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,并伴隨有非晶結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),表明高度變形情況下的非晶和密排六方結(jié)構(gòu)會(huì)協(xié)同主導(dǎo)了Al基塑性變形.

2) 面心金屬Al孿晶界對(duì)壓痕可動(dòng)位錯(cuò)的演變表現(xiàn)出位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞特性,可動(dòng)位錯(cuò)初遇孿晶界時(shí),孿晶界會(huì)吸收一部分可動(dòng)位錯(cuò),也對(duì)另一部分可動(dòng)位錯(cuò)滑移起到阻礙作用,并改變可動(dòng)位錯(cuò)的柏氏矢量,導(dǎo)致孿晶界不斷有位錯(cuò)釘扎和堆積產(chǎn)生.隨著單層孿晶界距離d的減小,可動(dòng)位錯(cuò)表現(xiàn)出的位錯(cuò)纏繞和交滑移作用越加明顯.

3) 載荷持續(xù)增加的誘導(dǎo),會(huì)驅(qū)動(dòng)孿晶界成為新位錯(cuò)萌生地和位錯(cuò)環(huán)發(fā)射源,使得孿晶界面極易演化出塑性環(huán)特征,且孿晶界的塑性環(huán)繁衍增值也更加突出.

4)孿晶界面工程增強(qiáng)面心金屬力學(xué)性能的機(jī)制源于孿晶界誘導(dǎo)壓痕可動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生相互糾纏和交滑移,該位錯(cuò)協(xié)同作用構(gòu)筑出位錯(cuò)胞骨架結(jié)構(gòu),改變了探針與基底的緊密區(qū)接觸質(zhì)量,進(jìn)而增強(qiáng)了金屬承載能力.