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CoCrNi/CoCrFeMnNi纳米多层复合材料力学行为及其变形机理的分子动力学模拟

CoCrNi/CoCrFeMnNi纳米多层复合材料力学行为及其变形机理的分子...

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作者：万里华中科技大学

学位级别：硕士

金属纳米多层材料作为一种周期性多层复合材料,具有高硬度、高强度和高韧性等优异的力学性能,在航空、航天、国防等领域有着良好的应用前景。该材料由于具有丰富的相界面和周期性多层结构,呈现出强烈的尺度效应以及异于传统复合材料混... 详细信息

金属纳米多层材料作为一种周期性多层复合材料,具有高硬度、高强度和高韧性等优异的力学性能,在航空、航天、国防等领域有着良好的应用前景。该材料由于具有丰富的相界面和周期性多层结构,呈现出强烈的尺度效应以及异于传统复合材料混合律的独特力学行为。当前,大多相关研究都是针对由不同单质金属构成的多层材料(如Cu/Nb、Cu/Ni等)开展的,对其变形行为和强化机制的认识已相对完善。不同于单质金属和传统合金,高熵合金是由五种或更多元素以相等或接近相等的原子比组成的单一固溶体合金,具有高强度、高塑性和抗辐照等优异性能。目前,高熵合金纳米多层材料相关的研究才刚刚起步,其变形模式和内在物理机理有待进一步深入探究。有鉴于此,本文通过分子动力学模拟方法,系统地研究了高熵合金纳米多层复合材料Co Cr Ni/Co Cr Fe Mn Ni(FCC/FCC体系)在拉伸载荷和循环载荷下的力学响应和变形机理。本文的研究内容和结论主要包括以下三个方面:(1)基于分子动力学模拟,研究了不同温度(77 K、300 K)下中熵合金CoCrNi、高熵合金CoCrFeMnNi单质材料的拉伸力学响应,分析了其中的微观变形机理。研究表明:低温下,Co Cr Ni和Co Cr Fe Mn Ni均具有更高的屈服强度和塑性流动强度;同一温度下,与Co Cr Fe Mn Ni相比,Co Cr Ni具有更高的屈服强度以及流动强度。Co Cr Ni和Co Cr Fe Mn Ni的塑性变形机制均以位错滑移为主导,同时位错的相互作用形成了Lomer-Cottell锁,有效阻碍了塑性变形过程中位错的滑移,有利于增强应变硬化能力;随着温度的降低,两种材料的Shockley不全位错密度明显增加,低温更有利于不全位错的形核和运动。此外,在Co Cr Ni和Co Cr Fe Mn Ni的塑性变形阶段均能观察到孪晶形核及退孪晶行为的发生,是塑性变形行为的有利补充。(2)基于上述研究,进一步分析了拉伸载荷下CoCrNi/CoCrFeMnNi纳米多层复合材料的力学响应和微观塑性变形机理,并探讨了层厚(h)和调制比(R)(即Co Cr Ni层厚h 与Co Cr Fe Mn Ni层厚h 的比值)的影响。研究表明:高熵合金多层复合共格界面上生成了两相晶格失配位错网,它们既可以作为位错的形核源,也可以作为阻碍位错穿越界面运动的壁垒。在塑性变形初始阶段,Co Cr Fe Mn Ni层内位错的形核和滑移占主导地位;随着外加载荷的增大,滑移位错在界面处塞积并穿透界面在Co Cr Ni层内增殖滑移,促进了塑性变形从Co Cr Fe Mn Ni层到Co Cr Ni层的传递;塑性变形初期产生由不全位错滑移形核的层错,随着塑性变形的增加,变形孪晶逐渐形成。多层复合材料的流动强度随着层厚的减小逐渐增大,呈现出典型的Hall-Petch现象;随着层厚的减小,多层复合材料内位错密度逐渐增大,引起更强的Taylor硬化和更高的流动强度。此外,多层复合材料的流动强度随着调制比(Co Cr Ni体积分数)的增大而增大;不同层厚和调制比Co Cr Ni/Co Cr Fe Mn Ni多层复合材料的流动强度模拟结果均高于复合材料混合率模型的计算结果,部分层厚和调制比的多层复合材料流动强度甚至超过了Co Cr Ni单质材料。(3)进一步对比研究了CoCrNi、CoCrFeMnNi单质材料和CoCrNi/CoCrFeMnNi纳米多层复合材料在拉压循环载荷下的力学响应,分析了层厚对多层复合材料微观循环变形行为的影响。结果表明:在单调载荷作用下,Co Cr Ni、Co Cr Fe Mn Ni单质材料和Co Cr Ni/Co Cr Fe Mn Ni多层复合材料均出现了拉压不对称现象。随着循环次数的增加,单质材料的流动强度很快达到饱和并保持稳定,而多层复合材料则出现先循环软化后循环强化的现象,其循环塑性变形模式表现为非FCC结构的逐渐累积。与单质材料相比,高熵合金多层复合材料在循环变形过程中产生了更多的晶格无序结构,从而阻碍了位错的反向滑移,导致其包辛格效应减弱;多层复合材料的晶格无序程度随着层厚的减小逐渐增大,包辛格效应也呈现出减弱的趋势。

关键词：金属纳米多层复合材料分子动力学模拟高熵合金层厚调制比循环塑性

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