Rare Metals 贵州大学尹存宏：珠光体多主元合金界面塑性引起的反尺寸效应的原子尺度研究
发布时间：2024-04-29浏览次数：10
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珠光体多主元合金界面塑性引起的反尺寸效应的原子尺度研究西北工业大学凝固国家重点实验室先进润滑密封材料中心Yang, C., Xia, QS., Yin, CH. et al. Atomistic study of inverse size effect induced by interfacial plasticity in pearlitic multi-principal element alloy. Rare Met. (2024). https://doi.org/10.1007/s12598-024-02664-2由于其细微的纳米层状结构，珠光体多元主元合金（PMPEA）表现出优异的机械和摩擦性能。然而，对其层厚尺寸效应的理解尚不完整，以及塑性界面相互作用机制的不清楚，限制了进一步优化PMPEA的可能性。本研究利用分子动力学（MD）模拟，探究了珠光体多元主元合金中的FeCoNi/Ni3Ti界面介导的塑性变形行为，以及在纳米尺度范围内通过层厚变化造成的机械和摩擦性能的变化。结果表明，在层厚小于10纳米的PMPEA中，其机械和摩擦性能显示明显的逆尺寸效应，即层厚越小，性能越弱。这是因为随着层厚的减小，塑性载体-界面相互作用机制从阻碍位错的强化机制转变为促进位错的削弱机制，而削弱效应随着层厚的减小和界面数量的增加而变得更加显著。特别地，Ni3Ti层片的变形行为从晶体转变为非晶。此外，在具有较大层厚的样品中，由于多主元效应，发生在体心立方结构中的分级滑移可以更好地减轻由位错在界面处的积累引起的应力集中，使界面表现出出色的承载效果。BCC相中的位错模式显示出稳定的高密度位错胞，使基底展现出稳定的摩擦响应。1. 片层厚度低于10nm的PMPEA的机械和摩擦学性能具有显著的反尺寸效应。2. 随着片层厚度的减小，塑性载流-界面相互作用机制从阻碍位错转变为促进位错。3. 随着片层厚度的减小，Ni3Ti片层的变形行为经历了从类晶体到类非晶的转变。4. 由于多主元效应，BCC片层中出现了分级滑移和牢固位错模式。图1 在纳米压痕下h=7.28nm的PMPEA的负载-位移曲线，（b）在稳定阶段接触压力P随压痕深度的变化。当压头开始压入时，基底内部开始出现应力积聚。当压痕深度达到4 Å时，最大应力集中发生在距离接触中心0.5a的垂直距离处，这与赫兹弹性接触理论一致。同时，初始位错形核是由应力集中引起的，在塑性接触阶段发生了许多与位错-界面相互作用密切相关的pop-in事件，这对我们理解界面塑性机制至关重要。图2 位错随压痕深度增加而演化的集合快照。原子根据剪切应变着色，剪切应变小于0.1的原子被删除。插图显示了第一相界面的Von Mise应力分布。当初始位错成核时，由于界面位错的存在，相界面上存在条状应力分布。在初始位错形核之后，更多的位错沿着主滑移系统快速膨胀，直到它们与界面碰撞。因此，应力集中出现在界面上。当压痕深度为10.2 Å时，更多的初级滑移被界面阻挡，界面上的应力集中区域增加。此外，触发平行于相界面的二次滑移。当压痕深度为12 Å时，第三滑移从初级滑移和次级滑移的相交处成核。这是因为交叉点易于产生更大的应力集中，超过了第三次滑移的位错激活能。与第二滑移系统相比，位错易于沿第三滑移系统延伸。，随着压痕深度增加1 Å，第三滑移系上的位错与界面碰撞并产生新的应力集中，而第二滑移系统上的位错尚未扩展。随着压痕深度的显著增加，大量位错沿着初级和第三级滑移系统扩展，并受到界面的显著阻碍。相界面上的两个应力集中区显著扩展，导致界面位错的不连续性被破坏。当压痕深度为28.4 Å时，由于位错很难突破界面，可以发现位错沿二次滑移系统大规模膨胀的证据。然而，此时界面处的应力集中非常高，从而触发界面位错的成核，并随着压痕深度的增加而进一步膨胀。二次滑移的广泛出现可以有效地释放外部载荷施加的应力，从而缓解一次滑移和三次滑移引起的界面应力集中区的扩展。图3 作为片层厚度函数的PMPEA的固有机械性能：（a）弹性模量E，（b）硬度H，（c）H/E和（d）H3/E2H/E表示材料对弹性应变的敏感性，与断裂韧性成正比。H3/E2表征了材料抵抗塑性变形的能力，代表了抗裂性和韧性。弹性模量、硬度、H/E和H3/E2都随着片层厚度的减小而减小，类似于相反的Hall-Petch关系。图4 （a）-（e）具有不同片层厚度的样品在最大压痕深度处的位错活动事件。原子根据剪切应变着色，剪切应变小于0.1的原子被删除。（c’）沿着（c）中的黑色虚线切片后的原子配置和相应的径向分布函数（RDF）。当片层厚度为7.28 nm时，由于界面阻碍增强效应，位错滑移介导的塑性几乎完全局限于第一片层，并且只有一个位错突破界面扩展到第二层，。当片层厚度降至4.1 nm时，界面的阻碍作用减弱，严重的塑性变形突破界面扩展到第二片层中。此时，在第二片层中不仅可以观察到位错塑性（用红色圆圈表示），还可以观察到非晶化（用黄色圆圈表示）。h=3.2 nm的样品的变形类似于h=4.1 nm的样品，其中严重的塑性变形突破第一相界面并被第二相界面完全阻挡。不同的是，在h=3.2 nm的样品中，第二片层的塑性变形主要由非晶相变控制。CNA和相应的径向分布函数（RDF）的结果表明，第二片层的变形微观结构是非晶相。当片层厚度减小到2.52 nm时，严重的塑性变形仍然被阻挡通过第二相界面，但在第四片层中发现了两个穿透位错，这是界面介导的塑性的证据。当片层厚度进一步减小时，界面介导的塑性进一步增强，这表现为第四片层中更多的位错和第八片层中更深的位错。因此，我们可以得出结论，对于片层厚度低于10 nm的PMPEA，随着片层厚度的减小，塑性变形从位错介导变为界面介导。图5 h=7.28 nm样品在不同划痕距离下的位错演化。（a1）-（d1）原子根据剪切应变着色，并且剪切应变小于0.1的原子被删除。（a2）-（d2）位错组态分析。纳米划痕过程中的塑性变形仍然以一次滑移和三次滑移为主。严重的塑性变形完全被界面阻挡，表明该样品具有优异的抗划伤性。此外，在划痕过程中没有变形突破界面。这是因为与最大压痕时相比，划痕过程中的法向力减少了约40%，因此界面处的累积应力不足以触发界面位错成核。在随后的划痕过程中，第二片层中的变形逐渐恢复，，表明样品具有良好的弹性恢复能力。此外，与BCC-Fe中的低密度位错线不同，BCC-FeCoNi片层中的位错构型表现出由位错纠缠形成的高密度单元，并且在纳米晶粒变形过程中是稳定的。图6 （a）-（e）具有不同片层厚度的样品在摩擦载荷下的位错活动事件。原子根据剪切应变着色，剪切应变小于0.1的原子被删除。（b'）-（e'）CNA在沿着（b）-（e）中的白色虚线切片后进行的原子构型分析。当片层厚度为7.28 nm时，界面完全阻断了严重的塑性变形。BCC相中的塑性是由位错滑移介导的。当片层厚度降至4.1 nm时，表面片层BCC相中出现大块位错塑性，变形突破第一相界面，在第二Ni3Ti相中触发位错塑性，但被第二相界面完全阻挡。当片层厚度减小到3.2 nm时，变形与h=4.1 nm的样品的变形相似。变形突破第一界面，但被第二相界面完全阻挡。BCC相中的塑性变形全部由位错滑移主导，但Ni3Ti相中的变形除了位错塑性外，还表现为非晶相变。随着片层厚度继续减小到2.52 nm，Ni3Ti相中的变形微观结构完全转变为非晶相。此外，尽管严重的塑性变形被第二界面阻挡，但在第四片层中发现了界面塑性的证据。当片层厚度进一步减小到2.06 nm时，严重的塑性变形已经突破第二相界面并延伸到第三和第四片层中。图7 具有不同片层厚度的样品在摩擦载荷下的位错演化分析。在所有样品中，BCC相中的塑性变形以位错塑性为主。当片层厚度为4.1 nm时，第二片层中的变形以位错塑性为主。当片层的厚度为3.2 nm时，第二片层中仅存在一些位错。当片层厚度为2.52 nm和2.06 nm时，第二片层中基本上没有可见的位错，表明变形微观结构类似于非晶态。特别是，当片层厚度降低到2.52 nm以下时，界面位错非常容易被触发，并在摩擦载荷下穿透Ni3Ti片层。图8（a）-（e）具有不同片层厚度的样品的划痕表面形态。（f）磨损率随片层厚度的变化。可以看出，碎屑原子主要聚集在压头的前部和右侧，这由BCC滑移系统控制。除了样品的弹性恢复外，材料表面的塑性流动，即位错在划痕表面下成核和滑动，然后在划痕表面上湮灭，导致划痕表面不光滑。变形行为越复杂，磨损表面就越不光滑。因此，随着层厚度的减小，Ni3Ti片层的严重塑性变形将增强BCC表面片层的塑性流动，导致表面不均匀区域的增加和原子堆积的显著增加。磨损率随着片层厚度的减小而增加。然而，当薄片厚度大于3.2 nm时，磨损率随着薄片厚度的减小而缓慢增加，而当薄片厚度减小到3.2 nm以下时，磨损速率显著增加。这应该与Ni3Ti片层中塑性变形从位错塑性转变为非晶化有关。1. 当片层厚度为7.28nm时，PMPEA的相界面对压痕载荷下的塑性变形具有显著的阻碍作用，并且多主元效应导致BCC相中的分级滑移，从而更好地缓解了界面处位错堆积引起的应力集中，使得相界面表现出突出的承载效果。2. PMPEA的固有机械性能表现出显著的反尺寸效应。这是因为界面处的应力集中更倾向于触发界面位错的成核，并随着片层厚度的减小而穿透Ni3Ti片层，导致塑性界面相互作用机制从阻碍位错的强化机制变为促进位错的弱化机制。3. 当片层厚度为7.28nm时，PMPEA的相界面不仅由于严重塑性变形的显著阻挡而在磨损变形过程中表现出优异的承载能力，而且由于吸收界面附近的位错而在卸载后表现出良好的恢复能力。此外，由于多主元效应和晶格畸变效应，BCC相中的位错模式显示出牢固的高密度单元，这使得基底表现出稳定的摩擦学响应4. PMPEA的摩擦和磨损性能表现出显著的反尺寸效应，即层厚越小，耐磨性越差。一个原因是随着片层厚度的减小，Ni3Ti片层的变形行为经历了从类晶体到类非晶的转变。第二个原因是，随着片层厚度的减小，大量的界面不仅是变形扩展的障碍，也是导致严重塑性变形的主要因素。尹存宏，男，贵州大学机械工程学院特聘教授。2019 年在贵州大学获得机械设计及理论专业工学博士学位，目前主要从事基础核心零部件材料与结构的服役行为评估、预测和相关制造工艺与装备研究。主持国家自然科学基金（2项）、博士后面上基金、贵州省自然科学基金、贵州省高校教育改革等项目。相关研究成果发表在《Acta Materialia》《Composites Part B: Engineering》《Material and Design》《Applied Surface Science》《International Journal of Fatigue》《Additive Manufacturing 》《Journal of Materials Research and Technology》等SCI期刊上，担任《Rare Metals》期刊青年编委。
编辑：黄清荷
校稿：乔双
审核：马雯
