《Computational Materials Science》：Atomistic investigation of cooling-rate-regulated interface stability and compressive properties in Ti-SiCp composites
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冷却速率控制Ti/SiC复合材料的阶段依赖性压缩行为。
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缓慢冷却可以延缓缺陷的产生并提高峰值压缩应力。
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快速冷却会促进缺陷的分布并保持较大的应变负荷。
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Ti/SiC界面决定了应力传递、缺陷形成和存储。
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原子级描述符将热
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冷却速率控制Ti/SiC复合材料的阶段依赖性压缩行为。
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缓慢冷却可以延缓缺陷的产生并提高峰值压缩应力。
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快速冷却会促进缺陷的分布并保持较大的应变负荷。
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Ti/SiC界面决定了应力传递、缺陷形成和存储。
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原子级描述符将热历史与界面塑性联系起来。
引言
钛合金因其低密度、高比强度、耐腐蚀性和在宽广温度范围内的良好机械性能而被广泛用于对重量敏感的机身和推进结构中。然而，随着操作温度的升高和对结构效率要求的提高，对钛合金的刚性、耐磨性、抗氧化性和损伤容忍度提出了更加严格的要求。钛基复合材料（TMCs）通过将基于钛的基体与热稳定的陶瓷增强剂结合，提供了一种有效满足这些需求的策略。综述和最近的加工研究表明，不连续增强的TMCs是航空航天部件的有希望的选择，因为它们的增强结构可以在保持比传统高温结构合金更低密度的同时，提高特定刚度和高温下的负荷保持能力[1]、[2]、[3]、[4]。
碳化硅作为钛的增强材料具有吸引力，因为它具有高弹性模量、低密度、热稳定性和抗变形性能。SiC颗粒增强的钛合金显示出硬度和承载能力的提高，但复合材料的响应在很大程度上取决于Ti/SiC界面[5]。赵等人[6]、[7]、[8]对SiC纤维增强钛复合材料的实验研究表明，界面反应区、脱粘强度、加载模式和增强位置可以影响损伤的起始和应力重分布。陈等人[9]的第一性原理计算也表明，Ti-Si-C化学环境涉及3C-SiC中的位点依赖性Ti掺入。尽管连续纤维系统的观察结果不能直接应用于颗粒复合材料，但它们证明了陶瓷-金属界面是一个活跃的力学区域。弯曲的颗粒界面进一步引入了三维应力集中，为基体缺陷提供了潜在的来源和障碍。
热历史决定了这种界面投入使用时所处的原子和应力状态。金属基体与陶瓷增强剂之间的热膨胀和刚性差异在冷却过程中会产生异质应力。侯等人的研究[10]已经证实，这些应力可以通过界面松弛、位错生成、孪生或局部结构重排来缓解。实验已经展示了SiCp/Al复合材料中的冷却速率效应，而原子级模拟揭示了SiC/Al界面附近的强残余应力梯度。金等人[11]对SiCp/A359铝基复合材料的相关研究表明，冷却速率的变化可以显著改变微观结构和机械性能，证实了热路径在控制增强剂-基体相互作用及相应的承载状态方面起着关键作用。这些研究强调了热路径动力学的广泛重要性，但它们并没有明确冷却速率如何改变固体SiC颗粒增强钛基体的后续压缩行为。特别是，来自铝基体、凝固过程或平面和连续纤维界面的证据并没有解决颗粒曲率、残余应力和缺陷激活在当前系统中的耦合作用。
问题进一步复杂化了，因为六方密排钛具有各向异性的塑性。基面滑移、棱柱滑移和金字塔滑移以及孪生的激活取决于晶体取向、局部应力状态和温度。分子动力学模拟为解决这些耦合过程提供了一条合适的途径，因为它直接将热历史、原子配置、缺陷形成和机械响应联系起来。大规模分子动力学（MD）已被用于探究金属塑性的极限，并揭示了难以通过实验分离的位错过程，广泛用于研究不同处理方法下各种合金材料和金属基复合材料的微观结构演变和机械性能发展[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。江等人[17]对钛的分子动力学模拟系统比较了恒温器阻尼参数和加热/冷却速率对钛结构演变的影响。他们表明，较高的冷却速率通过稳定无序原子配置来抑制有序晶体结构的形成，从而促进非晶化。Le等人[18]对TMCs进行的实验和模拟表明，基体纹理和增强剂取向强烈影响机械各向异性。刘等人[19]、[20]对α-Ti的原子级研究还揭示了温度依赖性的多态性和
??型螺旋位错核心的锁定-解锁转变，而滑移-孪生传递则提供了另一种应变适应途径。最近的原子级研究还解决了金属基复合材料中单个组分的变形和断裂过程以及Ti纳米颗粒中的位错介导的压缩[21]。总之，尽管在相关模拟方法方面取得了显著进展，但冷却速率、界面残余应力、缺陷演变和SiC颗粒增强钛基体压缩变形之间的内在关系尚未在原子尺度上得到系统建立。在这里，一个由单晶HCP Ti基体和球形SiC颗粒组成的分子动力学模型从773 K冷却到373 K，冷却速率为0.25–5.0 K/ps，然后沿Ti [0001]方向进行单轴压缩。冷却后的配置使用热力学变量、径向分布函数、径向平均局部应力以及界面Ti原子的部分振动密度状态进行了评估。随后的压缩响应通过应力-应变指标、功密度、位错线密度和缺陷网络形态进行了量化。通过将继承的界面状态与塑性的时间和空间发展联系起来，本研究阐明了冷却速率如何改变纳米级Ti/SiC颗粒复合材料的峰值抗力和大应变承载行为，从而在原子尺度上为优化此类复合材料的服役性能提供了理论基础。
章节片段
模拟方法
使用LAMMPS [22]和金属单元系统进行了分子动力学模拟。积分时间步长设置为0.001 ps，并在所有三个笛卡尔方向上应用了周期性边界条件。初始模型在Materials Studio中构建为一个周期性的Ti/SiC复合材料。基体是晶格参数为a?=?2.950 ?和c?=?4.817 ?的单晶HCP Ti结构。Ti [0001]方向与模拟单元的z轴对齐。
系统松弛和冷却过程
图3显示了在773 K和0 bar的NPT平衡条件下Ti/SiC复合材料的熱动力学演变，这是在控制速率冷却模拟之前的情况。温度在初步调整后迅速稳定在目标温度附近，并在较小范围内波动，表明热浴能够有效维持系统的高温平衡状态。动能曲线与温度变化一致，初始之后...
结论
分子动力学模拟用于研究冷却速率如何控制含有一个球形SiC颗粒的Ti/SiC复合材料的冷却后结构和随后的压缩响应。在0.25–5.0 K/ps的冷却速率范围内，结果表明冷却速率保持了平均短程协调框架，同时改变了非平衡界面状态、缺陷活动的开始和空间组织以及峰值抗力和大应变之间的平衡...
CRediT作者贡献声明
丁一阳：撰写——原始草稿，方法论。蒋延超：验证，项目管理。张海瑞：资源获取，资金筹集。向楠：资金筹集。郭俊清：概念化。袁凯：软件。梁旭新：监督。庞国鑫：资源。王光明：数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52675436）、河南省自然科学基金（编号：232300421059）和河南省大学生创新培训项目（编号：202610464013）的支持。
丁一阳|蒋延超|张海瑞|向楠|郭俊清|袁凯|梁旭新|庞国鑫|王光明
