纳米压痕下孪晶钛铝合金性能的模拟研究

□ 杨 星 □ 芮执元,2 □ 付 蓉 □ 剡昌锋,2 □ 文 洮

1 兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050 2 兰州理工大学 有色冶金新装备教育部工程研究中心 兰州 730050 3 甘肃省计算中心 兰州 730030

1 研究背景

共格孪晶界是一种特殊的晶界结构,孪晶界两侧的晶粒是对称的,这种特殊的结构对钛铝合金的性能有重要影响。对孪晶钛铝合金材料的研究发现,具有较高能量的晶界结构使晶界附近区域的力学性能较为优异,并且具有很强的抗边缘位错能力[1]。晶界既可以作为位错障碍阻止位错扩展,又可以作为位错源吸收位错[2]。笔者采用分子动力学方法模拟孪晶钛铝合金材料的纳米压痕过程,研究在非均匀载荷下钛铝合金材料的孪晶界对压痕过程材料力学性能的影响。

2 模拟方法

孪晶钛铝合金材料在纳米压痕下的分子动力学模型如图1所示。笔者建立的孪晶钛铝合金材料模型尺寸为22.24 nm×30.52 nm×24.89 nm,总原子数为1 000 000,刚化压头半径为3 nm。压痕过程参数中,压头的加载和卸载速度为50 m/s,加载、卸载分别沿Z轴负方向和正方向。系统采用1 fs积分步长,选取微正则系综[3],沿Z轴负方向,即压头加载方向附加自由边界条件,沿X轴和Y轴方向附加周期性边界条件。试件底部建立厚度为0.5 nm的边界层,在边界层上部建立厚度为3 nm的恒温层,通过速度标定法对系统的温度进行有效控制[4]。铝原子和钛原子之间的相互作用选用嵌入势来描述,碳原子和钛原子、碳原子之间的势函数选用兰纳-琼斯势[5]。在研究中分别对压头边缘与孪晶界距离L为0.5 nm、1.5 nm、2.5 nm、4 nm四个位置进行压痕模拟。

▲图1 孪晶钛铝合金材料分子动力学模型

3 结果分析

近年来研究显示,对钛铝合金材料进行试验或模拟时,载荷曲线下降的原因通常有位错成核、位错环产生和发射、晶界吸收或发射位错、位错大量湮灭[6-10]。但以上研究没有考虑载荷深度曲线呈现出一定的周期性和锯齿状。在模拟中出现载荷和硬度小幅减小,原因包括压头下方原子崩塌,导致能量释放;孪晶界阻碍位错的扩展,导致材料硬度提高;孪晶界吸收位错时,载荷和硬度均会减小。

L为0.5 nm时纳米压痕模拟结果如图2所示。由图2分析可知,压头距离孪晶界0.5 nm,压入深度为1.12 nm时,硬度达到第一个峰值。载荷逐渐增大,在压入深度为1.48 nm时,载荷达到第一个峰值。随着压头的继续下压,当压入深度为1.63 nm时,硬度降低至谷值,载荷之后也随之减小。压入深度为2.25 nm时,硬度达到第二个峰值,随后开始降低。载荷达到第二个峰值后,也随之减小。载荷随硬度的变化而变化,所以引起载荷变化的主要原因为材料硬度的变化。在纳米压痕模拟中,通过位错提取算法统计分子动力学模拟压痕过程不同类型位错的伯格斯矢量及位错线长度[11]。随着压头压入深度的增大,位错线总长度整体呈现出增大的趋势,且位错以肖克莱不全位错反应为主。

▲图2 L为0.5 nm时纳米压痕模拟结果

L为1.5 nm时纳米压痕模拟结果如图3所示。由图3分析可知,压头距离孪晶界1.5 nm,压入深度为0.55～1.5 nm时,载荷与硬度不断增大,纵向比较位错,此时肖克莱不全位错在材料内部扩展缓慢。压入深度为1～1.5 nm 时,载荷达到第一个峰值,硬度也在不断提高,原因是位错核和位错之间的相互反应使材料得到硬化。压入深度为1.5～1.7 nm时,载荷和硬度开始减小,产生这一现象的原因是位错环的滑移。压入深度为1.7～3.0 nm时,载荷不断增大,硬度则趋于稳定。

▲图3 L为1.5 nm时纳米压痕模拟结果

L为2.5 nm时纳米压痕模拟结果如图4所示。由图4分析可知,压头距离孪晶界2.5 nm,压入深度为0～1.49 nm时,载荷不断增大,达到第一个峰值,硬度则在压入深度为1.27 nm时达到第一个峰值。压入深度为1.61 nm时,载荷和硬度均减小至谷值,此时肖克莱不全位错线长度也处于减小过程中,原因是位错环的滑移带走了部分原子,使材料的载荷和硬度减小。压入深度为1.61～2.2 nm时,载荷与硬度开始增大,产生这一现象的原因是孪晶界阻碍了位错运动,压头下方位错核与位错之间相互反应的程度增大。压入深度为2.2～3 nm时,总位错长度不断增大,载荷趋于稳定,而硬度相比第一个峰值有所降低,产生这一现象的原因是在压痕后期孪晶界开始吸收位错,使材料的硬度降低。

▲图4 L为2.5 nm时纳米压痕模拟结果

L为4 nm时纳米压痕模拟结果如图5所示。由图5分析可知,压头距离孪晶界4 nm,压入深度为1.31～1.62 nm时,载荷和硬度减小,肖克莱不全位错线长度缓慢增大,产生这一现象的原因与位错环的滑移有关。

▲图5 L=4 nm时纳米压痕模拟结果

通过以上四组距离孪晶界不同位置时的纳米压痕模拟,发现孪晶界对压痕过程中基体材料的力学性能有较为明显的影响,为此对四个不同压痕位置下孪晶钛铝合金材料的弹性模量E进行计算。

H=Pmax/A

(1)

(2)

(3)

式中:A为压头与孪晶钛铝合金材料的接触面积;Pmax为压痕过程中的最大载荷;H为压头压入深度;β为与压头几何形状相关的常数,球型压头β取1;S为弹性接触韧度;Er为孪晶约化弹性模量;υ为孪晶钛铝合金材料的泊松比;E1为压头的弹性模量;v1为压头的泊松比。

由式(1)～式(3)得出四个不同压头位置下孪晶钛铝合金材料的弹性模量,见表1。

表1 孪晶钛铝合金材料弹性模量

由表1可以看出,压头与孪晶界的距离最近时,弹性模量达到最大值,原因是孪晶界对压头下的位错演化有一定影响,在一定条件下孪晶界会阻碍位错扩展,孪晶界附近区域的材料弹性模量较大。压头在距离孪晶界4 nm时,由于孪晶界对纳米压痕过程影响程度降低,所得弹性模量数值约等于单晶钛铝合金材料弹性模量的数值。

此外,靠近孪晶界区和远离孪晶界区孪晶钛铝合金材料的弹性模量结果与其它通过模拟和试验所得结果相符[12-14]。

4 结束语

笔者通过模拟孪晶钛铝合金材料的纳米压痕过程,对孪晶钛铝合金材料的性能进行了研究。在纳米压痕过程中,孪晶界吸收位错的运动和位错环的滑移,使钛铝合金材料的硬度降低;位错与位错核之间的相互反应和孪晶界阻碍位错运动,使钛铝合金材料的硬度提高。