Acta Mater.：纳米Cu/Ag的双界面相互作用的分子动力学研究

【引言】

 当材料达到纳米尺度的结构时，可以表现出与宏观块体不同的性质。在这个尺度上，界面的密度非常高，主宰着纳米层或纳米孪晶材料的机械性能。近期实验研究表明在高应力或应变下，Cu/Nb和Cu/Ag双金属材料会产生孪晶，研究人员认为，在此机械孪晶的产生过程中异相界面发挥了关键作用。根据界面类型的不同，孪生位错（TDs）有可能直接在相邻平面的界面成核，或者从一层传递到另一层，甚至可能在界面处骤停使得作用加强。因此，在这些特殊材料的塑性机制中，多相界面的结构是关键影响因素，而理解界面如何与孪生体相互作用也至关重要。由于研究对象的时间和空间尺度均较小，目前看来，原子模拟是较为合适的工具。

【成果简介】

合金是具有优异机械性能的典型金属体系，不同的细微结构决定着其性能的优劣，例如，当材料结构到纳米尺度时，研究人员发现会产生了许多力学性能的改变。最近，法国普瓦捷大学R. Béjaudt等人利用分子动力学模拟，在原子尺度上研究了孪晶与纳米结构Cu/Ag的界面相互作用，分析了界面结构对孪晶核形成、扩散和增厚的影响，详细阐述了失配界面位错网格的作用。该研究发表于Acta Materialia，题为“Twin-interface interactions in nanostructured Cu/Ag: Molecular dynamics study”。该项研究表明界面可以通过Lomer位错直接或间接诱导孪生位错的成核，并给出了有关机制的详细描述。研究通过这种原子尺度的方法提出，在纳米层状复合材料中，机械孪生过程是一种常见的塑性机制。

 【图文导读】

 图1. 两层同尺寸的薄双金属薄膜的结构图

 含有两层相同尺寸的薄双金属薄膜。原子根据其类型着色（Ag为紫色，Cu为黄色）。

图2. 界面处的俯视图与侧视图

（a）界面处的Cu和Ag原子的俯视图，（a.i）和（a.ii）分别表示COC和TO界面。这些视图显示了界面处的Shockley局部错位网格（由黑线突出显示）、相关三角形图案（白色网格）以及堆积层错分布。

（b）沿X=<01-1>方向的侧视图。（bi）为在COC界面的相干区域和本征堆积层错（ISF）区的交错排列；（b.ii）为在TO界面的Cu层和Ag层获得的孪生断层区。

原子根据中心对称参数进行着色。蓝色的原子处于完美的FCC状态，而红色的原子处于堆积或孪生位错状态。

图3. 双金属薄膜的塑性响应

压缩作用下COC界面的薄Cu/Ag双金属薄膜的塑性响应。

（i-iii）Ag表面上的一步的孪晶成核和（iv）界面上的双重增厚。

（v）双核塑性机制和完美的位错成核。

图4. 应力应变曲线

（a）应力-应变曲线和（b）孪晶的原子总比例与应变的函数关系。浅蓝色、紫色和黄色曲线分别对应于在Ag、Cu和两个表面上的COC界面的薄膜结构。红色、绿色和藏青色曲线分别对应于在Ag、Cu和两个表面上的TO界面的薄膜结构。

图5. 压缩作用下TO界面的薄Cu/ Ag双金属薄膜的塑性响应

 在压缩作用下TO界面的薄Cu/Ag双金属薄膜的塑性响应。 （a.i-iii）Ag表面上的一步孪晶成核和界面上的Lomer位错成核。

（a.iii-iv）在Cu层的界面处形成双层。

（b）（a.i）中蓝色外框为界面区域的特写图，显示了在Ag表面形成的Shockley部分位错与失配错位之间的相互作用。

（c）（a.ii）中蓝色外框为界面区域的特写图，显示Ag层中Lomer位错的形成和Cu层中Shockley部分位错的形成。如图3所示，根据CNA参数和我们的孪晶识别算法对原子进行着色。

图6. Lomer位错形成孤立的Shockley位错环的机制示意图

Lomer位错形成孤立的Shockley位错环的机制示意图。

（a）初始构型：在（100）平面上滑动的Lomer位错（红线）。

（b）将Lomer分解转化为Shockley部分位错（11-1）平面（绿线）。（c）由无限Frank位错导致的Shockley和Lomer位错的扩大。

（d）去除无限Frank位错，导致形成孤立的Shockley位错环和最初Lomer位错的释放。

图7. COC界面Cu/ Ag薄膜孪生化产生塑性形变

 COC界面Cu/Ag薄膜通过孪生化而产生塑性形变，且以角度θ围绕X轴旋转。原子根据其旋转角度θi进行着色，黑色箭头对应压缩轴形变，白色箭头对应界面的[-211]方向。

【小结】

该项研究结果强调了多相界面结构如何影响机械孪晶过程（成核、扩散和增厚）的不同步骤，进而影响了纳米尺度的Cu/Ag中形成的双晶体的尺寸。设计多层材料以调整其力学性能仍然是一个热门话题，同时因为孪晶会结合纳米层和纳米孪晶材料的机械性能，因而可以手动控制形变机制。在这方面，此研究在支持异相界面促进孪晶产生的观点下，又为理解双界面相互作用的机制提供了关键性的指导。

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

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我们会邀请各位老师加入专家群。

材料测试、数据分析，上测试谷！