Co–Cr合金纳米划痕行为的分子动力学模拟：Cr溶质浓度与晶界的影响

《Materials Today Communications》：Molecular Dynamics Simulation of Nanoscratching Behavior in Co–Cr Alloys: Effects of Cr Solute Concentration and Grain Boundaries

　　

本研究揭示了支配Co–Cr合金纳米划痕响应的原子尺度机制，重点阐明溶质Cr浓度与晶界如何调控接触力学与缺陷演化。研究人员采用分子动力学（MD）模拟，系统比较了单晶与多晶基底在稳态滑动过程中的行为。在单晶中添加Cr会产生非单调的摩擦响应，其中集中固溶强化提升了垂直承载能力，抑制了沟槽深度，并通过局域化溶质–位错相互作用将塑性剪切限制在浅层亚表面区域。与之相对，多晶中晶界的柔顺性显著松弛了法向接触阻力，使摩擦系数（COF）上移，同时形成圆化磨损轨迹。位错分析表明，晶界有效阻挡长程平面滑移并容纳局域化缺陷重组。辅助敏感性评估确认这些微观结构趋势对划痕速度、晶粒构型及局域加热的变动具有鲁棒性，为Co–Cr合金纳米级耐磨性提供了机制性见解。

研究背景与立项依据

Co–Cr合金因具备机械强度、耐蚀性与摩擦学性能，广泛用于高接触载荷、腐蚀环境与反复滑动工况。其滑动接触响应由局域化亚表面变形与缺陷演化支配，但常规宏观摩擦试验无法分辨单个接触下位错、层错、溶质相关晶格扰动及晶界介导塑性的瞬态演化。已有MD研究多聚焦多主元合金或孤立单晶模型，对二元Co–Cr体系中Cr浓度与晶界在局域滑动中的具体作用、势函数适用性（弹性响应、层错能、FCC/HCP相对能量）及摩擦指标计算区间等方法学问题仍待厘清。为此，研究人员在《Materials Today Communications》发表工作，对比单晶CoCr₀、CoCr₁、CoCr₃、CoCr₅、CoCr₁₀与多晶CoCr₀、CoCr₃、CoCr₁₀在统一加载协议下的纳米划痕行为，旨在建立成分–显微结构–接触响应关联的理论基础。

主要技术方法

研究人员使用LAMMPS执行MD模拟，OVITO进行轨迹分析与晶体缺陷可视化；基底约200 ? × 100 ? × 120 ?（约22万原子），x/y周期边界、z自由表面，垂向分固定层、恒温层（300 K）与牛顿层；单晶FCC沿[100]/[010]/[001]取向，Cr以0/1/3/5/10 at.%随机替代，多晶经3D Voronoi（Atomsk）构建6/8/12晶粒。势函数采用EAM合金势（FeNiCrCoCu-with-ZBL.eam.alloy）描述Co–Cr，Tersoff描述金刚石压头，L–J描述Co/Cr–C交叉作用。先共轭梯度最小化，NVT 300 K平衡40 ps（步长1 fs），压头沿-z穿透20 ?后+x划痕160 ?（1.0 ?·ps^-1，辅验0.5 ?·ps^-1）。摩擦系数取20–140 ?窗口内COF=mean(|F_t|)/mean(|F_n|)；显微分析用多面体模板匹配（PTM）定相、位错提取算法（DXA）计量缺陷线长，并做0 K静态Cr–位错结合能采样。

研究结果

3.1 摩擦响应与敏感性

单晶切向力稳定在145.5–150.0 nN，法向力非单调：1 at.% Cr处最低101.1 nN，10 at.% Cr最高126.3 nN，致COF在CoCr₁达峰后降至CoCr₁₀最小。多晶中晶界使法向力降超30%而切向力略降，COF上移并高于同成分单晶；晶粒数6→8→12时多晶COF由1.36升至1.80。速度减半降低绝对力与COF，位错密度带可比；压头下稳态温度约405 K，远低熔点。

3.2 磨损沟槽几何与亚表面塑性应变演化

单晶CoCr₀无约束平面滑移致最深残槽、最大位移体；1–3 at.% Cr抑制深穿；CoCr₁₀限垂向深宽比、展宽轨宽。多晶晶界截断定向剪切，槽底圆化、堆积均匀。剪切应变云图显示CoCr₀具45°深穿带，CoCr₃带短化，CoCr₁₀剪切限浅层；HCP原子分数单晶在CoCr₁峰值4.3%、CoCr₁₀降至1.8%，多晶因晶界与形核层错维持更高；DXA示单晶以1/6?112? Shockley不全位错为主且总长递减，多晶生成1/2?110?全位错及密网。

3.3 晶体缺陷机制

多晶CoCr₃时序DXA示Shockley不全位错沿{111}滑移并在晶界前塞积，线长增加；晶界交汇应力促1/2?110?段生灭重组。0 K下51个Cr替代位结合能具空间各向异性：滑移面下膨胀区负结合能、上压缩区正结合能，径向均值近零但角向离散，证实Cr引入崎岖势能面，局域阻碍位错运动。

3.4 原子尺度磨损机制

归纳四态：单晶CoCr₀长程平面滑移+深穿；CoCr₃溶质扰径、剪切迹局域化；CoCr₁₀固溶限塑于浅层、垂向承载升、COF最低；多晶CoCr₃晶界截错、缺陷重排、法向支撑弱致COF上移、槽形圆化。

讨论与结论翻译

讨论指出，单晶Cr添加通过固溶限塑与非单调法向力调制COF；多晶晶界以柔顺换法向阻力损失、以阻挡换COF上浮及槽形改变；敏感性参数不改单/多晶微观对比。结论：(1)单晶增Cr使塑性由深长平面滑移转浅局域剪切，固溶约束升法向承载，COF在1 at.% Cr达峰、10 at.% Cr最小；(2)多晶晶界截错抑深穿，法向力降超30%，COF上移且槽圆化；(3)单晶塑性主由1/6?112? Shockley不全位错支配，高Cr因其势能崎岖降密度，多晶晶界前塞积促全位错与缺陷网；(4)划速、晶粒数、局温变动不撼单/多晶微观结构对照。该工作为Co–Cr纳米耐磨设计提供原子机制支撑。

Yuanyuan Kang、Yanling Hu（Engineering Training Center, Taiyuan University, Taiyuan 030032, China）