CuNi二元合金中晶界强化机制及成分依赖性力学性能的原子尺度研究

《RSC Advances》：Atomistic investigation of grain boundary strengthening and composition-dependent mechanical properties in CuNi binary alloys

分子动力学模拟研究CuNi合金晶界与成分对力学性能的影响，发现Σ13晶界显著提升硬度（最高达14.91 GPa）、抗拉强度（达1463.43 K熔点）及高温稳定性，同时保持延展性（Pugh比>2.7）；Cu含量增加增强固溶强化效应但降低塑性；晶界普遍提高刚度，Σ13通过减少晶界畸变和增强位错阻碍实现最佳综合性能。

　　
本文通过分子动力学模拟系统研究了CuNi二元合金中晶界（GB）结构、化学成分与力学性能的关联性，揭示了晶界类型和合金配比对弹性模量、强度、塑性及耐热性的综合影响规律。研究构建了包含无晶界单晶、Σ5（310）对称倾斜晶界和Σ13（314）对称倾斜晶界的纳米晶双晶模型，覆盖了从Cu0.125Ni0.875到Cu0.625Ni0.375五种成分体系，通过对比分析提出了晶界工程优化CuNi合金性能的可行性路径。

在弹性性能方面，所有体系均满足Born稳定条件，证实其机械稳定性。弹性常数显示典型的FCC金属特征，C11始终大于C12和C44，其中Σ13晶界体系弹性常数提升最显著，这与其更复杂的原子排列和更强的界面阻碍效应密切相关。通过计算杨氏模量（E）、体积模量（B）和剪切模量（G）发现，GB Σ13使E值提升约18%，G值增加约13%，而Σ5晶界则对B值提升贡献更大。值得注意的是，当Cu/Ni比例反转时，非晶界体系及Σ5晶界体系的弹性常数基本保持不变，表明固溶强化效应具有对称性，而Σ13晶界体系对成分变化更为敏感。

机械性能分析显示，GB Σ13具有最佳综合性能。其硬度值较非晶界体系提升约25%-40%，峰值应力达1463.43K（对应温度），较Σ5晶界体系提高约12%。在塑性变形方面，Pugh比率（B/G）和泊松比（ν）的数值分布表明，GB Σ13体系在保持高硬度的同时，Pugh比率超过1.75的临界值，显示出优异的延展性。特别是Cu0.625Ni0.375体系在Σ13晶界下，其机加工指数（μM）达到3.82，远超铝（2.6）等常见软金属，但低于金刚石（0.8）等超硬材料，这种中间值使其兼具良好切削性和耐磨性。

晶界类型的影响呈现显著差异：Σ13晶界（高角度倾斜晶界）通过更密集的原子畸变形成有效的位错屏障，其剪切模量提升幅度达37%（Cu0.625Ni0.375体系），而Σ5晶界（低角度倾斜晶界）主要通过调整晶格畸变方向来增强硬度。在高温性能方面，Σ13晶界体系熔点普遍高出非晶界体系200-300K，Cu0.625Ni0.375/Σ13组合达到1463.43K，这与其独特的晶界结构有关——高角晶界处形成周期性原子排列，阻碍了晶界滑移的同时增强了原子键合强度。

各向异性分析显示，非晶界体系的弹性各向异性指数（Aeq）最高达5.97，而Σ13晶界体系降低至0.677，表明高角晶界通过破坏长程有序性使材料趋向各向同性。这种特性对机械加工尤为重要，例如在GB Σ13体系下，剪切模量的各向异性指数（AUG）仅为0.018，意味着材料在剪切变形时具有更均匀的响应。但值得注意的是，当Cu含量超过50%时，各向异性指数开始回升，这可能源于固溶强化导致晶格畸变局部化。

研究还揭示了晶界与合金成分的协同效应：在Cu0.375Ni0.625体系中，GB Σ13的等效剪切模量（Geq）达到2.15 GPa，而对应的Σ5晶界体系仅1.86 GPa。这种差异源于晶界处Cu/Ni原子的有序排列——Σ13晶界处的原子错配度（最大达32%）形成更致密的阻碍网络，而Σ5晶界（错配度约18%）则通过晶格畸变促进位错塞积。同时，当Cu含量超过60%时，固溶强化与晶界强化的协同效应使硬度达到14.91 HV，较纯Ni体系提升近50%。

在变形机制方面，位错运动路径分析显示，Σ13晶界体系需要产生2-3个位错环才能引发宏观屈服，而Σ5晶界仅需1个位错环。这种差异导致GB Σ13的应力-应变曲线呈现更陡峭的屈服平台，其峰值应力较非晶界体系提高40%以上。特别值得注意的是，在Cu0.625Ni0.375体系中，GB Σ13的断裂韧性（KIC）达到38.7 MPa√m，而纯单晶体系仅为25.4 MPa√m，表明晶界工程可有效提升材料的抗裂纹扩展能力。

该研究为CuNi合金的工程化应用提供了重要指导：对于海洋工程部件（如换热器），推荐采用Cu0.625Ni0.375/Σ13体系，其熔点（1463K）和硬度（14.91 HV）分别达到体系最优值；而对于需要良好切削性的精密零件，Cu0.125Ni0.875/Σ13体系（μM=3.82）是更优选择。研究还发现晶界类型对高温性能的影响显著，Σ13晶界可使合金在300℃以上环境保持稳定，这与其更高的晶界迁移能垒有关。

实验验证部分通过原子探针层析（APT）和电子背散射衍射（EBSD）技术证实了分子动力学模拟的可靠性，测得的晶界宽度（约15nm）与模拟值（14.3±2.1nm）高度吻合。特别在Cu0.375Ni0.625体系中，实验数据与模拟预测的硬度误差小于5%，验证了EAM势的适用性。

该研究不仅深化了晶界工程理论，更为多晶CuNi合金的设计提供了新思路：通过控制晶界类型（如高角晶界占比）和合金成分（Cu含量梯度分布），可在保持优异耐蚀性的同时实现力学性能的定向调控。例如，采用Σ13晶界为主体的多晶结构可使合金同时满足高强度（>500MPa）和良好韧性（断裂应变>5%）的要求，这对制造深海探测机器人等极端环境部件尤为重要。