揭示等原子量铜镍合金在压缩载荷作用下的初始塑性现象机制：来自分子动力学模拟的见解

《Journal of Alloys and Compounds Communications》：Revealing the incipient plasticity phenomenon mechanism in equiatomic cupronickel alloy under compressive loading: Insights from molecular dynamics simulations

本文通过分子动力学模拟研究了含Σ3晶界面的 equiatomic铜镍合金的单轴压缩变形行为，揭示了不同应变率和温度下初始塑性现象的机制，包括内在堆垛缺陷的形成、FCC至HCP相变及晶界迁移阻碍效应。

　　在材料科学领域，合金的机械性能与其微观结构密切相关。通过精确控制材料的晶界结构，可以有效改善其强度、韧性及耐腐蚀能力。本文探讨了一种等原子比的铜镍合金（cupronickel alloy）在单轴压缩载荷下的变形行为，重点分析了其内部形成的棱面Σ3晶界（grain boundary, GB）在不同应变率和温度条件下的响应机制。通过分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟，研究者揭示了在较低应变率和温度条件下，材料表现出一种有趣的初始塑性现象，这一现象与晶界处的结构演化和位错运动密切相关。

铜镍合金因其优异的机械性能而广泛应用于多个工业领域。例如，在海洋工业中，这种合金被用于海水管道、热交换器和淡化设备；在化学、石油、航空航天和汽车工业中，它被用于制造钻杆、泵、阀门、涡轮机、蒸汽发生器、热交换器管、刹车管和电气元件。这些合金通常具有面心立方（face-centred cubic, FCC）结构，其内部的铜和镍元素在固态和液态下均能完全互溶，从而能够形成单相合金。这种完全互溶性符合Hume-Rothery规则，即当两种金属具有相似的原子尺寸、电负性和晶体结构时，更容易实现固溶性。因此，铜镍合金成为材料研究的重要对象。

在实际应用中，材料往往受到多种复杂的机械载荷，包括压缩、拉伸、剪切、冲击和碰撞等。这些载荷条件对材料的变形机制和最终性能具有重要影响。为了更好地理解材料在不同载荷下的行为，研究者通常采用实验方法和计算模拟相结合的方式进行研究。实验方法虽然能够提供丰富的数据，但其空间和时间分辨率有限，难以追踪材料在微观尺度上的演化过程。相比之下，计算模拟方法能够提供更详细的原子级信息，特别是分子动力学模拟技术，已经成为研究材料在动态载荷下行为的重要工具。

分子动力学模拟可以用于研究位错的产生、滑移系统的激活以及孪晶的形成等现象。这些现象对材料在外力作用下的响应具有决定性影响。例如，Rahman等研究了不同溶质含量对铜镍合金拉伸和蠕变性能的影响，发现随着铜含量的增加，合金的蠕变性能显著下降。同时，蠕变机制从晶界扩散转变为位错诱导蠕变。Janani等则研究了铜镍合金中溶质含量对堆垛层错能（stacking fault energy, SFE）的影响，发现随着镍含量的增加，SFE也相应上升。这种上升主要归因于镍的高电负性，导致铜失去d壳层电子，从而降低了电子与原子的比值，进而提高了SFE。

在过去的诸多研究中，人们普遍关注的是晶界对材料性能的影响，尤其是其在拉伸载荷下的行为。然而，关于晶界在压缩载荷下的作用机制仍存在较大空白。为此，本文通过分子动力学模拟，研究了一种具有棱面Σ3晶界的等原子比铜镍合金在不同应变率和温度条件下的压缩变形行为。模拟过程中，研究者选择了三种不同的应变率（10?、10?和101? s?1）以及五个不同的温度（100、300、500、700和900 K）进行测试。这些参数的选择旨在全面了解材料在不同外部条件下的响应特性。

在模拟过程中，研究者发现，在较低应变率和温度条件下，材料表现出一种独特的初始塑性现象。这种现象的特征是应力-应变曲线在达到最大应力之前出现一次突然且较小的下降，随后材料进入塑性变形阶段。初始塑性现象的产生主要与晶界处的结构演化有关。在压缩载荷作用下，材料首先在不协调孪晶面（incoherent twin facet）的尖端形成内在堆垛层错（intrinsic stacking faults, ISFs），随后这些ISFs沿着协调孪晶面（coherent twin facet）传播，导致局部塑性变形。ISFs的形成与Shockley部分位错（Shockley partial dislocations）的滑移密切相关。

随着ISFs的传播，它们与第二晶界处的不协调面（incoherent facet）发生相互作用，从而阻止了ISFs的进一步迁移。这种相互作用不仅影响了材料的变形机制，还导致了材料中六方密堆积（hexagonal close-packed, HCP）相的增加。这种HCP相的形成是由于FCC到HCP的相变过程。此外，材料在晶界附近的应力积累也促使不协调孪晶面发生局部变形，并逐渐弯曲，从而失去其原有的棱面结构。这种结构变化表明，晶界在材料变形过程中起到了关键的缓冲作用。

与此同时，研究者还观察到应变率硬化效应。随着应变率的增加，材料表现出更高的屈服应力。这种现象的出现可能与材料内部位错的产生和运动速率加快有关。在较高的应变率下，位错的密度和活动性增加，从而提高了材料的强度。此外，材料中高浓度的溶质原子（solute atoms）也对晶界迁移产生了显著的阻碍作用。这种溶质钉扎（solute pinning）效应表明，溶质原子能够有效地限制晶界运动，从而改善材料的稳定性。

研究者进一步指出，这些发现对材料科学家在材料设计中通过晶界工程（grain boundary engineering）优化合金的机械性能具有重要参考价值。通过合理调控晶界结构，可以有效提升材料的强度和韧性，同时降低其在特定载荷条件下的变形风险。此外，研究还揭示了晶界结构在不同载荷条件下的动态响应特性，为理解材料在复杂应力环境下的行为提供了新的视角。

在实际应用中，晶界工程已成为提升材料性能的重要手段。例如，通过引入特定类型的晶界结构，可以有效限制位错的运动，从而提高材料的强度。然而，晶界工程的实施需要深入理解晶界在不同载荷条件下的响应机制。本文的研究结果表明，不同应变率和温度条件对晶界行为具有显著影响。在较低应变率和温度条件下，晶界更容易发生迁移，而在较高应变率和温度条件下，晶界迁移受到更严格的限制。

此外，研究还揭示了晶界结构在不同载荷条件下的稳定性差异。例如，在压缩载荷下，晶界更容易发生结构变化，而在拉伸载荷下，晶界则表现出更强的稳定性。这种稳定性差异可能与晶界处的位错运动方式和能量分布有关。通过分子动力学模拟，研究者能够更清晰地观察到这些微观机制，并为材料设计提供理论支持。

本文的研究方法采用了分子动力学模拟技术，利用LAMMPS软件对材料的微观结构进行了详细分析。模拟过程中，研究者构建了一个双晶铜镍合金模型，其晶界结构为棱面Σ3 [111] 60° {11 8 5}。这种晶界结构具有协调和不协调的双面，能够有效影响材料的变形行为。通过调整应变率和温度参数，研究者能够模拟出材料在不同外部条件下响应的变化过程。

研究结果表明，晶界结构对材料的机械性能具有重要影响。在较低应变率和温度条件下，材料表现出较低的屈服应力，而在较高应变率和温度条件下，材料的屈服应力显著增加。这种现象的出现可能与材料内部的位错密度和运动速率有关。此外，晶界处的溶质原子浓度也对材料的变形行为产生了显著影响。高浓度的溶质原子能够有效限制晶界迁移，从而提高材料的稳定性。

在材料设计过程中，晶界工程是一个重要的研究方向。通过合理调控晶界结构，可以有效提升材料的强度和韧性，同时降低其在特定载荷条件下的变形风险。本文的研究结果表明，不同应变率和温度条件对晶界行为具有显著影响。在较低应变率和温度条件下，晶界更容易发生迁移，而在较高应变率和温度条件下，晶界迁移受到更严格的限制。

此外，研究还揭示了晶界结构在不同载荷条件下的稳定性差异。例如，在压缩载荷下，晶界更容易发生结构变化，而在拉伸载荷下，晶界则表现出更强的稳定性。这种稳定性差异可能与晶界处的位错运动方式和能量分布有关。通过分子动力学模拟，研究者能够更清晰地观察到这些微观机制，并为材料设计提供理论支持。

综上所述，本文通过分子动力学模拟，揭示了等原子比铜镍合金在不同应变率和温度条件下的压缩变形行为。研究结果表明，晶界结构在材料变形过程中起到了关键作用，特别是在较低应变率和温度条件下，材料表现出独特的初始塑性现象。这种现象的产生与内在堆垛层错的形成和传播密切相关，而内在堆垛层错的进一步迁移则受到晶界处的相互作用限制。此外，应变率硬化效应和溶质钉扎效应也对材料的机械性能产生了显著影响。这些发现为材料科学家在材料设计中通过晶界工程优化合金性能提供了重要的理论依据和实践指导。