《Journal of Materials Research and Technology》：Unraveling the interaction and blocking mechanism of coherent Cu-Ni core-shell precipitate on edge dislocation motion
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研究人员通过分子动力学(MD)研究了Cu核/Ni壳纳米析出相与刃型位错之间的交互作用。揭示了Ni壳在位错切变析出相过程中的作用。结果表明，Ni壳的存在对位错运动表现出显著的阻碍效应。位错运动的阻碍效应与Ni壳厚度呈正相关。这主要归因于局部弹性模量的增强和界面势
研究人员通过分子动力学(MD)研究了Cu核/Ni壳纳米析出相与刃型位错之间的交互作用。揭示了Ni壳在位错切变析出相过程中的作用。结果表明，Ni壳的存在对位错运动表现出显著的阻碍效应。位错运动的阻碍效应与Ni壳厚度呈正相关。这主要归因于局部弹性模量的增强和界面势垒的增加。理论计算预测，由于析出相与基体之间的模量差异减小，相比于纯Cu析出相，其模量强化效应减弱。此外，Ni壳增加了朝向相邻Cu核区域的局部应变梯度，同时松弛了与基体的共格应变。这些发现为高强度沉淀强化合金的设计提供了原子尺度的指导。
纳米级富Cu析出相因其优异的韧性、耐腐蚀性和可焊性，被广泛应用于各类高性能钢中。在含Cu/Ni的沉淀强化合金中，Ni原子倾向于在Cu析出相-基体界面处偏聚，形成富Ni壳层包围富Cu核心的核壳结构。这种结构可通过抑制Cu粗化来改善合金的力学性能和析出相热稳定性，在先进合金设计中备受关注。然而，Cu纳米析出相的强化机制一直存在争议，尤其是界面元素偏聚对位错与Cu析出相交互作用的影响仍缺乏深入研究。界面处的原子偏聚改变了局部化学性质、弹性模量和晶格畸变，导致其位错强化机制比纯析出相更为复杂。尽管已有研究探索了Ni对Cu-Ni核壳析出相形成机制及变形诱导结构演化的影响，但抑制位错运动的内在机制尚未彻底阐明。为此，研究人员利用分子动力学模拟，系统研究了体心立方(BCC)Fe基体中共格Cu-Ni核壳析出相与刃型位错的交互作用，揭示了不同于纯Cu析出相的阻碍机制，并量化了Ni壳层通过应变场调制和模量失配对位错钉扎的贡献。该研究发表于《Journal of Materials and Technology》。
研究人员开展本项研究采用的关键技术方法主要包括：构建包含刃型位错和内嵌析出相的BCC-Fe基体原子模拟盒子，沿特定晶向施加剪切加载驱动位错滑移，采用G. Bonny等人开发的Fe-Cu-Ni三元嵌入原子法(EAM)势函数描述原子间相互作用，并在NVE系综下进行能量最小化与系统平衡后施加剪切应变；同时结合第一性原理计算分析Ni原子层对Fe/Cu界面电子结构、界面能及广义层错能的影响；此外，运用经典连续介质力学模型和共格强化模型定量评估了等效模量与各界面的共格应变。为验证模拟结果，研究人员对Fe-1.5Cu-3Ni (wt. %)合金样本（经950 °C固溶2小时水淬及随后10小时时效处理制备）进行了扫描透射电子显微镜(STEM)表征分析。
研究结果如下：
1. 位错与Cu-Ni核壳析出相的交互作用
通过分子动力学模拟剪切加载过程发现，由于析出相模量低于基体产生的吸引力，位错在靠近析出相时发生轻微弯曲。随着应变增加，位错克服阻力穿透析出相内部，其弯曲程度愈发显著，表明析出相对位错运动构成了强阻碍。位错切穿后，析出相上下半球沿滑移面产生相对位移，界面形成台阶，并在一侧形成异质的Fe/Ni和Cu/Ni界面。
2. Cu-Ni核壳析出相与位错的应力表征
对剪切过程中原子应力分布的分析表明，位错刚接触析出相时，位错上下部分保持典型的拉伸与压缩应力状态。当位错穿过析出相时，颗粒内原子应力发生重排以匹配位错线应力状态，导致析出相内原子应力增加。位错脱离后，原子区域应力场恢复原状。
3. 析出相尺寸对临界分切应力的影响
对位错与不同半径析出相交互作用的研究表明，析出相尺寸显著影响位错运动及阻碍效应。小尺寸析出相使位错线呈现较大弯曲角；随着析出相半径增加，弯曲角单调减小。临界分切应力(CRSS)随析出相半径增加而线性增加，弯曲角相应减小。
4. 析出相尺寸和外加应力对位错速度的影响
研究不同尺寸和剪切应力下的位错速度发现，位错穿过析出相的峰值速度随外加剪切应力增加而单调增加，且小尺寸析出相的增长趋势更陡峭。位错在进入析出相后受阻碍速度下降，随后阻碍减弱速度再次上升，这源于位错在析出相前后区域所受排斥力与吸引力的变化。
讨论部分深入分析了Ni偏聚的作用。第一性原理计算表明，Ni原子在Fe/Cu界面偏聚改善了界面的电子电荷密度分布，使态密度(DOS)向键合态移动，降低了界面能并增强了结构稳定性。同时，Ni偏聚降低了广义层错能(GSFE)，轻微降低了弹性变形阶段的弹性模量，但几乎不削弱界面拉伸强度。
对比纯Cu析出相、单层Ni壳和双层Ni壳析出相的模拟结果显示，Ni壳层在位错剪切区域引发更大的原子排列无序，形成新的异质界面并产生化学能差异。随着Ni壳层厚度增加，位错穿过析出相时的最低速度显著下降，证实了Ni壳对位错运动的阻碍作用。
通过经典模型计算各机制对CRSS的贡献得出：化学强化方面，由于新界面的形成，核壳颗粒（6.75 MPa）略高于纯Cu颗粒（5.94 MPa）。模量强化方面，采用基于Eshelby包含体理论的广义自洽方法(GSCM)计算Cu-Ni核壳颗粒的等效剪切模量为50.1 GPa，由于核壳结构减小了析出相与基体间的模量差异，其模量强化贡献（62.6 MPa）低于纯Cu颗粒（74.6 MPa）。共格强化方面，Ni壳改变了界面晶格畸变，使基体侧由压应力转为拉应力。由于Ni壳 accommodates Cu晶格膨胀，Cu核内存在高应变，导致Ni/Cu界面的共格强化（195.6 MPa）显著高于Fe/Cu界面（83.5 MPa）。STEM与三维原子探针(3DAPT)表征证实了时效态合金中Ni在界面的偏聚及核壳结构的共格关系，并观察到位错切穿析出相的行为，与模拟结果高度一致。
研究结论表明，利用分子动力学模拟，系统揭示共格Cu-Ni核壳析出相对刃型位错的交互作用。Ni壳层显著降低位错滑移速度，阻碍阻力与壳层厚度呈正相关，归因于高模量和增强的界面阻力。Ni壳层重构了Fe/Cu界面共格应变场，在基体侧引入弱拉应力并增加向Cu核区域的应变梯度。基于经典模量强化模型分析表明，由于核壳结构减小了析出相与基体间的整体模量差异，Ni壳层的模量增强效应有所减弱。
