金属表面晶粒细化的力学性能增强机理

摘要

采用分子动力学模拟方法,探讨了表面晶粒细化对于多晶铜力学性能的影响.根据传统的Hall-Petch关系可知,晶粒细化会促进金属材料的强度提高.类似的,发现表面晶粒过分的细化同样会导致反Hall-Petch现象,引起整体材料的软化行为.另一方面,虽然适当的表面晶粒细化已经被证实可以提高材料的强度,但是对于梯度纳米结构在变形过程中的微观结构演化行为还有待更加系统的研究.通过模拟结果可以看到,不同于单一晶粒尺寸的金属材料,由于晶粒尺寸和晶格取向失配的共同影响,加快了形变孪晶的增殖行为,并且在纳米化区域达到更高的孪晶密度.进一步通过统计模型在形变过程中密排六方晶格原子密度的变化规律以及饱和度,验证了晶粒细化对于形变孪晶的增殖行为的影响.此外,如果表面纳米化区域相对于非细化区域的晶粒尺寸差异性越大,表面纳米化的增强效果越明显.总而言之,工作表明表面纳米化区域在形变过程中形成高孪晶密度对于梯度纳米孪晶材料达到高强度具有重要影响.