北航张瑞丰Acta. Mater.：更高强度和更耐失效的三维锯齿状双金属界面

【研究背景】

金属基纳米复合材料由于其优异的性能而备受关注和广泛研究，比如，优异的抗辐射损伤性能，良好的热稳定性，以及在常温和室温条件下的较高强度和塑性阻力。这些性能上的显著增强可以归因于双金属界面在高温、辐射和机械变形条件下表现出的特定界面结构稳定性。研究表明，诸多关键的力学行为，例如位错形核、缺陷的吸收和湮灭，都起源于界面区域。虽然低能双金属平界面结构在材料中普遍存在，但也有可能通过宏观的或局域的晶体学取向改变而形成高能界面结构。虽然这些高能界面出现的频率可能较低，但它们仍然是缺陷形成和相间运动的优先位置，在材料变形响应中发挥重要作用。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学张瑞丰教授利用原子尺度模拟和界面缺陷理论，考虑Cu/Ag和Cu/Nb两种典型双金属系统，揭示了高能界面可以通过形成周期性原子级锯齿结构来实现界面局部低能态，并且提出了一种普适的界面锯齿结构设计原则，以期获得最佳力学性能的界面结构。在几种不同的应变条件下，与平坦界面相比，具有原子级周期锯齿的界面具有更高的位错形核垒和更高的界面剪切阻力。这种理想的性能组合并不是通常研究的低能界面所具备的力学特征：低能界面通常具有高的位错形核势垒和低的界面滑移阻力。通过对错配位错结构演化以及点阵位错形核的详细分析表明，周期锯齿结构能够改变塑性变形初期的位错形核的数量和开动的滑移系统，同时能够有效降低界面区域错配位错产生的应力集中。最后，作者基于大量对比性的模拟结果，提出了针对于高能界面力学韧塑性调制策略，即通过优化设计原子锯齿状界面来改善金属基纳米结构材料的力学强度、提升界面滑移和蠕变抗力。原子级锯齿状界面具有更高稳定性和力学强度的同时能够有效缓解应变局域化，进而为实验界面设计提供了理论基础、具有较大的应用前景。该成果近日以题为“Stronger and more failure-resistant with three-dimensional serrated bimetal interfaces”发表在知名期刊Acta. Mater.上。

【图文导读】

图一：双晶结构及界面

（a）双晶界面模型的示意图；
（b）展开的汤普森四面体，显示fcc晶体中的所有滑移系统；
（c）Cu和Ag中相对于{110}//{110}Ag界面的滑移系统；
（d）Cu相对于Cu{112}//{112}Nb界面的滑移系统。

图二：Cu {110}//{110}Ag的界面结构

（a）平面界面上错配位错网络的俯视图；
（b-e）SI-1，SI-2，SI-1A和SI-2A锯齿状接口的侧视图；
（f-h）SI-1，SI-2和SI-1A接口上的错配位错网络的侧视图。

图三：Cu/Ag界面的等效应力-应变曲线

在（a）沿x[001]拉伸，（b）沿y[110]拉伸，（c）沿z[110]拉伸，（d）沿x[001]压缩；（e）沿y[110]压缩，和（f）沿z[110]压缩下，平界面、SI-1、SI-2、SI-1A和SI-2A界面的等效应力-应变曲线。

图四：Cu{110}//{110}Ag界面成核特征

（a）平坦界面在8.11％应变下形成Hirth位错锁；
（b）平坦界面在9.85％应变下位错桁架；
（c）SI-1界面在7.57％应变下位错形核；
（d）SI-2界面在6.49％应变下位错形核；
（e）SI-1A界面，应变为11.06％时的位错桁架；
（f）SI-2A界面，应变为11.06％时的位错桁架。

图五：锯齿状Cu{110}//{110}Ag界面的转变诱导塑性的特征

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

图六：Cu{112}//{112}Nb的结构与内部小平面（PI）和锯齿（SI）的界面

（a）未松弛的准平坦界面 (PI)；
（b）未松弛的扩展锯齿界面 (SI)；
（c）松弛后PI界面的侧视图；
（d）松弛后SI界面的侧视图；
（e）松弛后PI界面的透视图；
（f）松弛后SI界面的透视图。

图七：等效应力-应变曲线的对比

（a）拉伸载荷和（b）压缩载荷下SI和PI Cu{112}//{112}Nb界面的等效应力-应变曲线。

图八：在拉伸加载下来自Cu{112}//{112}Nb界面的Shockley分位错的形核特征

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

图九：两个Cu{112}//{112}Nb界面的原子Von Mises应变图

沿x轴拉伸应变为5.23％时，两种Cu{112}//{112}Nb界面的原子Von Mises应变图。（a）准平坦界面；（b）锯齿状界面。

图十：沿x[111]Cu方向剪切的两种Cu{112}//{112}Nb界面的应力-应变曲线

图十一：具有不同锯齿配置的各种Cu{110}//{110}Ag界面的界面能和峰值拉伸应力

【小结】

作者利用原子模拟和位错理论，揭示了两个有代表性的高能量，平坦Cu{110}//{110}Ag界面和准平坦Cu{112}//{112}Nb界面的界面特征和变形机制，以及它们的锯齿变体。结果可归纳如下：
1. 对于平坦Cu{110}//{110}Ag界面，锯齿的引入显着改变了界面错配位错，从具有较大伯格斯矢量的位错转变为Shockley不全位错和Hirth型位错。对于具有内禀小平面的Cu{112}//{112}Nb界面，锯齿的引入不会改变错配位错的种类，但会改变它们的形态；
2. 与平坦界面或准平面界面相比，锯齿状界面在单轴拉伸/压缩载荷下实现更高的峰值应力和临界应变，这意味着更高的位错成核势垒。界面结构和错配位错的重新配置改变了优选的滑移系统和变形机制，并减轻了界面处的应变集中；
3. 锯齿状Cu{112}//{112}Nb界面沿着锯齿交替分布的方向具有更高的剪切阻力，同时阻碍了具有面外伯格斯矢量的错配位错开动；
4. 与非密排的平坦界面相比，锯齿状界面具有较低的界面能，表明锯齿界面较高的热力学稳定性。

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

张瑞丰教授个人简历：

张瑞丰：北京航空航天大学卓越百人计划教授，入选中组部青年千人计划。2013年担任美国爱荷华州立大学材料系研究助理教授；2009年获得美国Los Alamos Director’s Postdoctoral Fellowship荣誉；2005年获得德国洪堡学者荣誉；2005年获得清华大学优秀博士论文一等奖和优秀博士毕业生称号。应用多尺度计算模拟和实验技术，围绕典型合金及硬质涂层的强韧化设计和塑性调制等展开深入系统研究。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等著名学术期刊发表SCI论文100余篇，被SCI引用2500多次（H因子=31），主题或邀请报告30余次。研究组研发多款材料计算设计和模拟软件：“Miedema Calculator”热力学计算软件，“SPaMD Simulator”功能化可扩展并行分子动力学模拟程序，“Atomistic Analyzer: AACSD”晶体取向和缺陷分析程序，“Atomistic Analyzer: AADIS”晶内和界面位错特征解析程序，“ADAIS”高通量第一性原理强度自动求解程序，“AELAS”高通量弹性自动计算程序，“PNADIS”派-纳位错塑性半离散变分求解程序等。

近期文献：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).

本文由材料人金属组大兵哥供稿，材料牛整理编辑。

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：cailiaokefu