Acta Mater.：納米Cu/Ag的雙界面相互作用的分子動力學研究

【引言】

?當材料達到納米尺度的結構時，可以表現出與宏觀塊體不同的性質。在這個尺度上，界面的密度非常高，主宰著納米層或納米孿晶材料的機械性能。近期實驗研究表明在高應力或應變下，Cu/Nb和Cu/Ag雙金屬材料會產生孿晶，研究人員認為，在此機械孿晶的產生過程中異相界面發揮了關鍵作用。根據界面類型的不同，孿生位錯（TDs）有可能直接在相鄰平面的界面成核，或者從一層傳遞到另一層，甚至可能在界面處驟停使得作用加強。因此，在這些特殊材料的塑性機制中，多相界面的結構是關鍵影響因素，而理解界面如何與孿生體相互作用也至關重要。由于研究對象的時間和空間尺度均較小，目前看來，原子模擬是較為合適的工具。

【成果簡介】

合金是具有優異機械性能的典型金屬體系，不同的細微結構決定著其性能的優劣，例如，當材料結構到納米尺度時，研究人員發現會產生了許多力學性能的改變。最近，法國普瓦捷大學R. Béjaudt等人利用分子動力學模擬，在原子尺度上研究了孿晶與納米結構Cu/Ag的界面相互作用，分析了界面結構對孿晶核形成、擴散和增厚的影響，詳細闡述了失配界面位錯網格的作用。該研究發表于Acta Materialia，題為“Twin-interface interactions in nanostructured Cu/Ag: Molecular dynamics study”。該項研究表明界面可以通過Lomer位錯直接或間接誘導孿生位錯的成核，并給出了有關機制的詳細描述。研究通過這種原子尺度的方法提出，在納米層狀復合材料中，機械孿生過程是一種常見的塑性機制。

?【圖文導讀】

?圖1. 兩層同尺寸的薄雙金屬薄膜的結構圖

?含有兩層相同尺寸的薄雙金屬薄膜。原子根據其類型著色（Ag為紫色，Cu為黃色）。

圖2. 界面處的俯視圖與側視圖

（a）界面處的Cu和Ag原子的俯視圖，（a.i）和（a.ii）分別表示COC和TO界面。這些視圖顯示了界面處的Shockley局部錯位網格（由黑線突出顯示）、相關三角形圖案（白色網格）以及堆積層錯分布。

（b）沿X=<01-1>方向的側視圖。（bi）為在COC界面的相干區域和本征堆積層錯（ISF）區的交錯排列；（b.ii）為在TO界面的Cu層和Ag層獲得的孿生斷層區。

原子根據中心對稱參數進行著色。藍色的原子處于完美的FCC狀態，而紅色的原子處于堆積或孿生位錯狀態。

圖3. 雙金屬薄膜的塑性響應

壓縮作用下COC界面的薄Cu/Ag雙金屬薄膜的塑性響應。

（i-iii）Ag表面上的一步的孿晶成核和（iv）界面上的雙重增厚。

（v）雙核塑性機制和完美的位錯成核。

圖4. 應力應變曲線

（a）應力-應變曲線和（b）孿晶的原子總比例與應變的函數關系。淺藍色、紫色和黃色曲線分別對應于在Ag、Cu和兩個表面上的COC界面的薄膜結構。紅色、綠色和藏青色曲線分別對應于在Ag、Cu和兩個表面上的TO界面的薄膜結構。

圖5. 壓縮作用下TO界面的薄Cu/ Ag雙金屬薄膜的塑性響應

?在壓縮作用下TO界面的薄Cu/Ag雙金屬薄膜的塑性響應。 （a.i-iii）Ag表面上的一步孿晶成核和界面上的Lomer位錯成核。

（a.iii-iv）在Cu層的界面處形成雙層。

（b）（a.i）中藍色外框為界面區域的特寫圖，顯示了在Ag表面形成的Shockley部分位錯與失配錯位之間的相互作用。

（c）（a.ii）中藍色外框為界面區域的特寫圖，顯示Ag層中Lomer位錯的形成和Cu層中Shockley部分位錯的形成。如圖3所示，根據CNA參數和我們的孿晶識別算法對原子進行著色。

圖6. Lomer位錯形成孤立的Shockley位錯環的機制示意圖

Lomer位錯形成孤立的Shockley位錯環的機制示意圖。

（a）初始構型：在（100）平面上滑動的Lomer位錯（紅線）。

（b）將Lomer分解轉化為Shockley部分位錯（11-1）平面（綠線）。（c）由無限Frank位錯導致的Shockley和Lomer位錯的擴大。

（d）去除無限Frank位錯，導致形成孤立的Shockley位錯環和最初Lomer位錯的釋放。

圖7. COC界面Cu/ Ag薄膜孿生化產生塑性形變

?

?COC界面Cu/Ag薄膜通過孿生化而產生塑性形變，且以角度θ圍繞X軸旋轉。原子根據其旋轉角度θi進行著色，黑色箭頭對應壓縮軸形變，白色箭頭對應界面的[-211]方向。

【小結】

該項研究結果強調了多相界面結構如何影響機械孿晶過程（成核、擴散和增厚）的不同步驟，進而影響了納米尺度的Cu/Ag中形成的雙晶體的尺寸。設計多層材料以調整其力學性能仍然是一個熱門話題，同時因為孿晶會結合納米層和納米孿晶材料的機械性能，因而可以手動控制形變機制。在這方面，此研究在支持異相界面促進孿晶產生的觀點下，又為理解雙界面相互作用的機制提供了關鍵性的指導。

文獻鏈接： Twin-interface interactions in nanostructured Cu/Ag: Molecular dynamics study (Acta Materialia, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.036)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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