北航張瑞豐Acta. Mater.：更高強度和更耐失效的三維鋸齒狀雙金屬界面

【研究背景】

金屬基納米復合材料由于其優異的性能而備受關注和廣泛研究，比如，優異的抗輻射損傷性能，良好的熱穩定性，以及在常溫和室溫條件下的較高強度和塑性阻力。這些性能上的顯著增強可以歸因于雙金屬界面在高溫、輻射和機械變形條件下表現出的特定界面結構穩定性。研究表明，諸多關鍵的力學行為，例如位錯形核、缺陷的吸收和湮滅，都起源于界面區域。雖然低能雙金屬平界面結構在材料中普遍存在，但也有可能通過宏觀的或局域的晶體學取向改變而形成高能界面結構。雖然這些高能界面出現的頻率可能較低，但它們仍然是缺陷形成和相間運動的優先位置，在材料變形響應中發揮重要作用。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學張瑞豐教授利用原子尺度模擬和界面缺陷理論，考慮Cu/Ag和Cu/Nb兩種典型雙金屬系統，揭示了高能界面可以通過形成周期性原子級鋸齒結構來實現界面局部低能態，并且提出了一種普適的界面鋸齒結構設計原則，以期獲得最佳力學性能的界面結構。在幾種不同的應變條件下，與平坦界面相比，具有原子級周期鋸齒的界面具有更高的位錯形核壘和更高的界面剪切阻力。這種理想的性能組合并不是通常研究的低能界面所具備的力學特征：低能界面通常具有高的位錯形核勢壘和低的界面滑移阻力。通過對錯配位錯結構演化以及點陣位錯形核的詳細分析表明，周期鋸齒結構能夠改變塑性變形初期的位錯形核的數量和開動的滑移系統，同時能夠有效降低界面區域錯配位錯產生的應力集中。最后，作者基于大量對比性的模擬結果，提出了針對于高能界面力學韌塑性調制策略，即通過優化設計原子鋸齒狀界面來改善金屬基納米結構材料的力學強度、提升界面滑移和蠕變抗力。原子級鋸齒狀界面具有更高穩定性和力學強度的同時能夠有效緩解應變局域化，進而為實驗界面設計提供了理論基礎、具有較大的應用前景。該成果近日以題為“Stronger and more failure-resistant with three-dimensional serrated bimetal interfaces”發表在知名期刊Acta. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一：雙晶結構及界面

（a）雙晶界面模型的示意圖；
（b）展開的湯普森四面體，顯示fcc晶體中的所有滑移系統；
（c）Cu和Ag中相對于{110}//{110}Ag界面的滑移系統；
（d）Cu相對于Cu{112}//{112}Nb界面的滑移系統。

圖二：Cu {110}//{110}Ag的界面結構

（a）平面界面上錯配位錯網絡的俯視圖；
（b-e）SI-1，SI-2，SI-1A和SI-2A鋸齒狀接口的側視圖；
（f-h）SI-1，SI-2和SI-1A接口上的錯配位錯網絡的側視圖。

圖三：Cu/Ag界面的等效應力-應變曲線

在（a）沿x[001]拉伸，（b）沿y[110]拉伸，（c）沿z[110]拉伸，（d）沿x[001]壓縮；（e）沿y[110]壓縮，和（f）沿z[110]壓縮下，平界面、SI-1、SI-2、SI-1A和SI-2A界面的等效應力-應變曲線。

圖四：Cu{110}//{110}Ag界面成核特征

（a）平坦界面在8.11％應變下形成Hirth位錯鎖；
（b）平坦界面在9.85％應變下位錯桁架；
（c）SI-1界面在7.57％應變下位錯形核；
（d）SI-2界面在6.49％應變下位錯形核；
（e）SI-1A界面，應變為11.06％時的位錯桁架；
（f）SI-2A界面，應變為11.06％時的位錯桁架。

圖五：鋸齒狀Cu{110}//{110}Ag界面的轉變誘導塑性的特征

（a）SI-1A界面，應變為10.95％；
（b）SI-1A界面，應變為11.06％；
（c）SI-2A界面，應變為10.95％；
（d）S1-2A界面，應變為11.06％。

圖六：Cu{112}//{112}Nb的結構與內部小平面（PI）和鋸齒（SI）的界面

（a）未松弛的準平坦界面 (PI)；
（b）未松弛的擴展鋸齒界面 (SI)；
（c）松弛后PI界面的側視圖；
（d）松弛后SI界面的側視圖；
（e）松弛后PI界面的透視圖；
（f）松弛后SI界面的透視圖。

圖七：等效應力-應變曲線的對比

（a）拉伸載荷和（b）壓縮載荷下SI和PI Cu{112}//{112}Nb界面的等效應力-應變曲線。

圖八：在拉伸加載下來自Cu{112}//{112}Nb界面的Shockley分位錯的形核特征

（a）沿x軸5.33％應變下PI界面；
（b）沿x軸8.00％應變下SI界面；
（c）沿y軸2.53％應變下PI界面；
（d）沿y軸4.29％應變下SI界面；
（e）沿z軸5.86％應變下PI界面；
（f）沿z軸7.25％應變下SI界面。

圖九：兩個Cu{112}//{112}Nb界面的原子Von Mises應變圖

沿x軸拉伸應變為5.23％時，兩種Cu{112}//{112}Nb界面的原子Von Mises應變圖。（a）準平坦界面；（b）鋸齒狀界面。

圖十：沿x[111]Cu方向剪切的兩種Cu{112}//{112}Nb界面的應力-應變曲線

圖十一：具有不同鋸齒配置的各種Cu{110}//{110}Ag界面的界面能和峰值拉伸應力

【小結】

作者利用原子模擬和位錯理論，揭示了兩個有代表性的高能量，平坦Cu{110}//{110}Ag界面和準平坦Cu{112}//{112}Nb界面的界面特征和變形機制，以及它們的鋸齒變體。結果可歸納如下：
1. 對于平坦Cu{110}//{110}Ag界面，鋸齒的引入顯著改變了界面錯配位錯，從具有較大伯格斯矢量的位錯轉變為Shockley不全位錯和Hirth型位錯。對于具有內稟小平面的Cu{112}//{112}Nb界面，鋸齒的引入不會改變錯配位錯的種類，但會改變它們的形態；
2. 與平坦界面或準平面界面相比，鋸齒狀界面在單軸拉伸/壓縮載荷下實現更高的峰值應力和臨界應變，這意味著更高的位錯成核勢壘。界面結構和錯配位錯的重新配置改變了優選的滑移系統和變形機制，并減輕了界面處的應變集中；
3. 鋸齒狀Cu{112}//{112}Nb界面沿著鋸齒交替分布的方向具有更高的剪切阻力，同時阻礙了具有面外伯格斯矢量的錯配位錯開動；
4. 與非密排的平坦界面相比，鋸齒狀界面具有較低的界面能，表明鋸齒界面較高的熱力學穩定性。

文獻鏈接：Stronger and more failure-resistant with three-dimensional serrated bimetal interfaces (Acta Mater. 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.12.051)

張瑞豐教授個人簡歷：

張瑞豐：北京航空航天大學卓越百人計劃教授，入選中組部青年千人計劃。2013年擔任美國愛荷華州立大學材料系研究助理教授；2009年獲得美國Los Alamos Director’s Postdoctoral Fellowship榮譽；2005年獲得德國洪堡學者榮譽；2005年獲得清華大學優秀博士論文一等獎和優秀博士畢業生稱號。應用多尺度計算模擬和實驗技術，圍繞典型合金及硬質涂層的強韌化設計和塑性調制等展開深入系統研究。迄今在PNAS, Phys Rev Lett, Acta Mater, Adv Mater, Adv Funct Mater, Adv Energy Mater, Nano Lett, Phys Rev B, Appl Phys Lett等著名學術期刊發表SCI論文100余篇，被SCI引用2500多次（H因子=31），主題或邀請報告30余次。研究組研發多款材料計算設計和模擬軟件：“Miedema Calculator”熱力學計算軟件，“SPaMD Simulator”功能化可擴展并行分子動力學模擬程序，“Atomistic Analyzer: AACSD”晶體取向和缺陷分析程序，“Atomistic Analyzer: AADIS”晶內和界面位錯特征解析程序，“ADAIS”高通量第一性原理強度自動求解程序，“AELAS”高通量彈性自動計算程序，“PNADIS”派-納位錯塑性半離散變分求解程序等。

近期文獻：Y. Y. Xiao, X. F. Kong, B. N. Yao, D. Legut, T. C. Germann, and?R.F.Zhang*.Atomistic insight into the dislocation nucleation at crystalline/crystalline and crystalline/amorphous interfaces,?Acta Materialia162,?255(2019).

本文由材料人金屬組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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