晶体/非晶纳米层片结构中界面力学耦合强韧化机制

晶体和非晶的纳米层片复合是实现金属材料强韧化的有效途径。然而，晶体/非晶纳米层片的塑性形变微观过程和强韧化机理尚不明确。本项目拟结合计算机模拟、实验和理论分析，对晶体/非晶界面的力学耦合强韧化机制开展深入研究。研究内容包括：晶体层和非晶层变形过程中的尺寸效应；晶体/非晶界面结构组态、界面滑动、界面迁移和界面曲率在变形过程中的变化及其对纳米层片形变机制的影响；探讨典型晶体/非晶界面匹配下的力学耦合关系及强韧化效果；建立描述晶体/非晶界面力学耦合关系的理论模型；利用实验对计算机模拟结果进行验证；在理解各种形变机制及强韧化效果的基础上，通过改善组织结构，有效利用某些特定的形变机制，尝试从材料设计角度制备并调控材料的力学性能。本项目旨在从原子层次上澄清晶体/非晶界面的力学耦合及强韧化机制，揭示位错、机械孪生、剪切传动区和剪切带通过界面交互作用的规律，为金属材料的强韧化提供必要的理论基础。

晶体与非晶的纳米层片复合是实现金属材料强韧化的有效途径。本项目以分子动力学模拟为主要研究方法对不同组织结构下Cu晶体/CuZr非晶纳米层片的力学性能、界面力学耦合强韧化机制及尺寸效应进行了系统研究。.研究表明，在设计晶体/非晶纳米层片结构时，为了改变剪切传动区(STZ)、剪切带及位错分布及其力学耦合而进行的结构优化至关重要。在Cu单晶/CuZr非晶纳米层片调制比恒定的情况下，通过简单改变单层膜厚度可以获得拉伸强度和塑性30-40%的同步提升。通过在晶体中引入形变诱发马氏体转变及层片结构优化设计可以大大同步提高纳米层片的拉伸强度和塑性。调制比为1、单层膜厚度1.6nm的CuZr晶体/CuZr非晶纳米层片的最大拉伸强度3.7GPa,屈服应变达到15.8%，较之于相应尺寸非晶分别提高了58%和167%。.纳米层片的力学性能和塑性形变机制存在明显的尺寸效应。随着单层膜厚度的减小，最大拉伸强度先增加而后减小，塑性形变发生了“非均匀-均匀-非均匀”特征的转变。单层膜厚度4nm附件发生的纳米层片的“软化”现象对应于晶体/非晶界面失效、相应区域晶体非晶化以及由此导致的剪切带对纳米层片的整体贯穿。利用受限层片滑移模型和Hall-Petch公式探讨了层片强度随层片厚度的变化。.研究了单晶、双晶和多晶三种不同晶体组态与非晶的纳米层片复合，发现晶界对塑性形变机制具有重要影响。塑性形变中试样自由表面、晶体/非晶界面和晶界在力学缺陷（位错、STZ和剪切带）形核方面存在竞争。单晶和双晶组态下，非晶层片优先屈服，而在多晶组态下晶体优先屈服。.研究发现，非晶层片中STZ或剪切带通过与晶体/非晶界面的交互作用可以诱发晶体层片中的位错，反之亦然。位错和剪切带通过与晶体/非晶界面的力学耦合而相互协调并在纳米层片中形成应变传递通道。纳米层片的强韧化主要来源于晶体/非晶界面对剪切带的阻碍以及小尺度非晶层片对剪切带的抑制作用。.在形变模拟中，由于普通分子动力学模拟时间和空间尺度的局限性，晶体/晶体层片很难发生应变诱发非晶化现象，非晶中也很难出现应变诱发晶化现象。加速分子动力学算法是解决问题的可能途径之一。.本项目的完成对于深入理解晶体/非晶纳米层片的界面力学耦合强韧化机制具有重要意义，同时对于高性能纳米复合层片结构的实验设计具有重要指导作用。