【摘 要】
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近年来,层状金属复合材料因其在极端环境下优越的性能而成为研究热点。随着计算机技术的迅速发展,利用数值模拟从微观尺度分析材料内部组织结构的演化规律,成为研究复合材料塑性变形行为的有效方法之一。本文采用分子动力学方法模拟了Cu/Fe层状复合材料的压缩过程,系统评价了界面取向、加载应变速率、晶粒尺寸对复合材料变形机理及其力学性能的影响。对不同界面取向单晶Cu/Fe层状复合材料变形机理的研究表明,K-S模
【基金项目】
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国家自然科学基金（11747015）；
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近年来,层状金属复合材料因其在极端环境下优越的性能而成为研究热点。随着计算机技术的迅速发展,利用数值模拟从微观尺度分析材料内部组织结构的演化规律,成为研究复合材料塑性变形行为的有效方法之一。本文采用分子动力学方法模拟了Cu/Fe层状复合材料的压缩过程,系统评价了界面取向、加载应变速率、晶粒尺寸对复合材料变形机理及其力学性能的影响。对不同界面取向单晶Cu/Fe层状复合材料变形机理的研究表明,K-S模型的屈服应力低于N-W模型,但流动应力恰恰相反。不同取向界面结构特征明显不同,类带状结构和类三角形结构分别排布在K-S和N-W模型界面上。位错从这些周期性排列结构中形核,优先启动的滑移系不仅由施密特因子决定,还由滑移系在界面上的交线方向以及Cu层已激活滑移系与Fe层滑移系的夹角决定。塑性变形过程中,扩展的全位错（1/6＜112＞）滑移、全位错（1/2＜111＞）滑移和变形孪生分别主导Cu层和Fe层的变形行为。塑性变形后期,Cu层界面处和Fe层内部分别留下了四面体结构和点缺陷;KS模型的界面厚度明显大于N-W模型,界面形貌分别呈波浪状和直线状。对不同加载应变速率下单晶Cu/Fe层状复合材料变形机理的研究表明,屈服应力和流动应力均随着加载应变速率的增加而增大。并且,加载应变速率显著影响复合材料的变形行为。当加载应变速率较低时,位错起源于界面上周期排布的长条状结构;当加载应变速率较高时,位错形核呈现爆发式模式,新的位错也会在两个平行的长条状结构的连接线上形核。在塑性变形过程中,当加载应变速率较高时,前导位错和后导位错反应生成全位错,将长位错线分割成项链状的位错段,位错湮灭速率降低,复合材料内部存在大量位错。随着加载应变速率的增大,复合材料内的各种位错数量逐步增大;但是界面厚度逐渐减小,异质界面调控塑性变形机制逐渐减弱。对不同晶粒尺寸多晶Cu/Fe层状复合材料变形机理的研究表明,随着晶粒尺寸的增大,峰值应力单调增大;流动应力存在一个临界晶粒尺寸8.5 nm,小于临界尺寸,流动应力逐渐增大;大于临界尺寸,流动应力逐渐减小。不同晶粒尺寸多晶层状复合材料的变形机制不同。晶粒尺寸较大时,位错滑移和孪生机制主导塑性变形,最大剪切应变分布在位错、晶界以及异质界面上。晶粒尺寸较小时,晶界迁移、旋转、合并机制主导塑性变形,最大剪切应变主要集中在晶界处。随着晶粒尺寸的增大,平均晶粒内的位错数量逐渐增大;并且界面弯曲程度越明显,界面厚度逐渐增大。
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