FeCrNiCoCu纳米压痕性能的分子动力学研究.pdf

第41卷第3期2024年6 月J.At.Mol.Phys.,2024,41:032003(7pp)FeCrNiCoCu纳米压痕性能的分子动力学研究原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICSVol.41 No.3Jun.2024陈风明，赵光霞（1.镇江市高等专科学校电气与信息学院，镇江2 12 0 2 8；2.江苏联合职业技术学院镇江分院，镇江2 12 0 16）摘要：纳米压痕是研究金属特性最广泛的方法之一，因此，本文采用分子动力学方法研究了晶粒数、压痕半径和压痕速度对FeCrNiCoCu压痕性能的影响：结果表明，晶粒数从4增加到16,杨氏模量和硬度值逐渐减小，呈现反Hall-Petch现象；随着压头半径的增加，杨氏模量增大，硬度受接触面积的影响较大而减小，较大的压头半径有利于模型内部位错的产生和扩展；压入速度对杨氏模量和硬度的影响微弱，压入速度越快，位错密度越低，位错传播速度越慢，本工作以期为FeCrNiCoCu的研究提供理论指导.关键词：纳米压痕；杨氏模量；硬度；位错；FeCrNiCoCu中图分类号：TG13Molecular dynamics simulation of nanoindentation properties of FeCrNiCoCu文献标识码：AD0I:10.19855/j.1000-0364.2024.032003CHEN Feng-Ming,ZHAO Guang-Xia(1.Electric and Information College,Zhenjiang College,Zhenjiang 212028,China;2.Zhenjiang Branch,Jiangsu United Vocational and Technical College,Zhenjiang 212016,China)Abstract:Nanoindentation is one of the most widely used methods to investigate the characteristics of metallicmaterials.Thus,in this work,molecular dynamics simulation is employed to investigate the effects of the numberof grains,the indenter radius and the indenter velocity on the indentation performance of the FeCrNiCoCu.Theresults show that when the number of grains increases from 4 to 16,the Youngs modulus and hardness graduallydecrease,showing an inverse Hall-Petch phenomenon.With the increase of the indenter radius,the Youngsmodulus increases,the hardness is greatly affected by the contact area,and the larger indenter radius is condu-cive to the generation and expansion of dislocation in the model.The effect of pressing speed on Young s modu-lus the hardness is weak.The higher the pressing speed,the lower the dislocation density and the slower the dis-location propagation.The purpose of this paper is to provide theoretical guidance for the study of FeCrNiCoCu.Key words:Nanoindentation;Youngs modulus;Hardness;Dislocation;FeCrNiCoCutered cubic，FCC)相3.5.6 。这种多主元的特点及1 引 言独特的晶体结构使HEAs具有优异的综合性能：高熵合金（High-EntropyAlloys，H EA s）自被学者们提出以来1,2 ，其设计理念及力学性能一直是研究热门话题与传统合金相比，HEAs由5种及以上的合金元素构成，且每种合金元素的摩尔分数为5%35%3.41.HEAs中较高的混合熵（Sm i x 1.5R）有利于抑制金属间化合物的形成.因此，HEAs中存在稳定的体心立方（Bodyc e n-tered cubic，BCC）相或者面心立方（Face c e n-收稿日期：2 0 2 2-10-0 8作者简介：陈风明（196 6 一），男，江苏准安人，工程师，研究方向为机械设计，材料性能分析及应用E-mail：8 3948 137 3 q q.c o m国内外学者对HEAs已进行了大量的研究.在制备工艺方面，粉末冶金、激光烧结、等离子熔覆等制备HEAs的技术已得到大量的研究7-10 .在合金元素方面，金属元素（如铝、铜、钛、锰、钼、钯、锯等112 1）非金属元素（如碳、硼、硅、钨等13.14）对HEAs的组织和性能的影响也获得了广泛的研究在处理工艺方面，唐群华等人15研究了热处理前后Al0.5CoCrFeNiBO.2的组织结032003-1第41卷构及力学性能。HEAs多组元的特点在给材料带来优异综合性能的同时也是实验带来了严峻的挑战，这些难点不仅包括合金设计难度，还包括微观角度分析等问题所幸分子动力学（Molecular dynamic，MD)作为一种从原子尺度计算材料性能的有效手段，可以极大的弥补实验上的不足：Meraj等人16 研究了NiWCuFeMo在拉伸压缩和压缩拉伸两种不同变形过程中李晶对变形行为的影响，并探究了其变形机制李健等人17 利用MD模拟HEAs实验制备过程，探究了温度和铝含量对力学性能的影响，并分析了HEAs 的变形过程及具有高塑性的机理Koch等人18 利用MD研究了离子辐照条件下CuNiCoFe中原子跃迁和缺陷的形成.由此可见，MD已广泛用于HEAs的性能研究.尽管，科研工作从实验和模拟计算方面均对已HEAs进行了大量研究，但针对HEAs 在不同纳米压人条件下的压痕特性尚不明确。因此，在本工作中，采用MD模拟纳米压入过程，以探究不同晶粒数、压头半径和压人速度对FeCrNiCoCu纳米压痕特性的影响，并从纳观层次探究FeCrNi-(a)DNewtonianlayersThermostaticslayersFixed layersFig.1(a)Atomic configuration of the model viewed on the Y-Z plane;(b)elemental compositiondiagram.在本工作中，采用虚拟压头的方式实现纳米压人模拟，虚拟压头是一种非原子压头，其半径为R的虚拟压头与基体之间的排斥力可以描述为 1,0 -R)3r R一0其中，K是力的常数，r是到压头中心的距离这种虚拟压头的方法已经在MD模拟软件LAMMPS(Laege-scale Atomic/Molecular Massively Parallel原子与分子物理学报CoCu的纳米压人的变形机制，以期为FeCrNiC-oCu系HEAs的研究提供理论帮助.2模拟参数图1为FeCrNiCoCu纳米压痕特性研究的初始模型：如图1（a）所示，初始模型划分为三部分，分别为固定层（Fixedlayers），热浴层（Thermosta-ties layers）和牛顿层（Newtonian layers）19 固定层的作用是固定模型，防止在纳米压人过程中模型发生移动；热浴层的作用是控制体系的温度；原子移动，结构组织演变都发生在牛顿层初始模型在X、Y和Z三个方向的晶向分别为11-2 ，-110 和111，其大小为38 a66a25a,其中是晶格参数，=3.562A，包含30 0 96 0 个原子如图1(b)所示，初始模型中包含的元素摩尔比Fe:Cr:Ni:Co:Cu为1:1:1:1:1，利用Python程序随机替换FCC Fe单晶中的Fe原子，以使各元素在初始模型中随机分布初始模型的X和Y方向设置为周期性边界以消除边界效应，在Z方向设置为最具包覆性边界。图1（a)在Y-Z平面上模型原子结构示意图；（b)元素构成示意图Simulation)中实现2 1，并得到广泛的应用虚拟压头的优势在于，压头与基体之间的这种排斥相互作用是将力从压头尖端转移到基体以排开原子在基体上形成凹坑，相较于传统的金刚石压头，减少了基体中原子与压头之间复杂的相互作用，(1)极大提高了计算效率，同时，也无需考虑基体中原子与压头中原子的力场，极大提高了针对含不同元素模型纳米压痕模拟的可行性纳米压痕模拟示意图如图2 所示，模型上方的球形虚拟压头以恒定的速率压人到基体内部。032003-2第3期FeCrNiCoCuX:11-2ZY:-11 0Z:111第41卷7X图2 纳米压痕模拟示意图Fig.2Schematic diagram of the indentationsimulation在本工作中，利用MD模拟软件LAMMPS实现纳米压痕模拟，在压入过程中共整个体系的温度维持在30 0 K，模拟的时间步长设置为1femto-second（f s）采用Nose-Hoover恒温器控制整个体系的温度2 ，采用Velocity-Verlet算法统计体系中各原子的位置2 3 模型中FeCrNiCoCu原子相互作用的力场由Deluigi等人2 4 研发的FeNi-CrCoCu-with-ZBL.eam.alloy来描述，该势函数是为探究FeCrNiCoCu系HEAs抗辐照性能而研发的在纳米压人前，在等温等压系综（Isothermal-isobaric ensemble，NPT）下充分释放体系各方向上的压力随后，虚拟压头以恒定的速率压人到模型内，每2 0 0 步输出一次原子构型计算输出的原子构型在 OVITO（O p e n Vi s u a l i z a t i o n T o o l)中实现可视化，利用位错提取算法（Dislocation anal-ysis，D XA)统计并输出模型中位错的类型和长度2 5.3丝结果与讨论3.1晶粒的影响为探究模型内晶粒数对力学性能的影响，利用半径R=70A的虚拟压头，以恒定的速率=20m/s压人到含不同晶粒数（4，8，12，16)的模型内部，含不同晶粒数模型纳米压入的载荷压痕(P-h)曲线如图3所示：总体上而言，含不同晶粒模型的纳米压人过程出现弹性变形和塑性变形两个阶段在初始弹性变形阶段，载荷随着压痕深度的增大而增大，由图3可知，在相同压痕深度下，压痕载荷随着模型中晶粒数目的增加而陈风明，赵光霞：FeCrNiCoCu纳米压痕性能的分子动力学研究V调节，材料的塑型得到提高：20004grains-8grains-12 grains150016 grains500-A0-0.0图3含不同晶粒数模型纳米压入载荷深度曲线Fig.3Indentation P-h curves of the models with dif-ferent grains为了进一步探究晶粒数对力学性能的影响，拟合了纳米压痕下材料的弹性模量根据Hertzian接触理论，弹性变形阶段载荷P与压头压人深度h 的关系为:4ERI/2 h3/2P.：3其中，E表示压痕弹性模量，描述了材料的弹性响应根据公式（2）拟合所得的杨氏模量如图4所示，由图4可以明显看出，随着模型内晶粒数目的增加，模型的杨氏模量显著的降低这是因为在纳米压入的过程中，压头下方的结构完整性对杨氏模量有显著的影响【2 7 随着模型内晶粒数目的增大，模型内部晶界增加，压头下方无序原子越多，模型内部结构完整性被破坏的越严重。因此，随着模型内晶粒数的增大，模型的杨氏模量越来越小。此外，根据Hertzian接触理论，接触压力是基体在法线方向上的响应压头表面与压痕之间的平均压力等于载荷与压痕投影面积的比值因此，接触压力可以表述为：PPm=S032003-3第3期降低，出现了明显的反Hall-Petch现象2 6 ，即随着晶粒尺寸的减小，材料的力学性能反而下降的现象：在Ph 曲线上第一个载荷下降点（A点）对应的压痕深度分别为0.57 2 nm，0.40 8 n m，0.453nm，0.52 2 n m 和0.538 nm，这表明随着晶粒数目的增加，材料的塑性得到了提升，这是由于多晶材料含有较多的晶界，晶粒之间相互转动0.51.0Depth/nm1.52.02.53.0(2)(3)B第41卷其中，P是压头载荷，S是压头投影接触面积：压痕的硬度通常被定义为平均接触压力的最大值，即：H=(Pm)max通过在第一个应力下降峰值的载荷和压人深度拟合模型的硬度，其结果如图4所示：随着模型内晶粒数目增加，模型内部晶界等缺陷量增加，因此，拟合所得的硬度逐渐减小。值得注意的是，硬度的差值越来越小，210200-td5/snpous,Bunox190180170160150140图4含不同晶粒数模型的杨氏模量和硬度Fig,4Young s moduli and hardnesses of the modelswith different grains.3.2压头半径的影响为探究压头半径对力学性能的影响，利用半径R分别为50 A，6 0 A，7 0 A，8 0 A 的虚拟压头，以恒定的速率u=20 m/s 压人到 FeCrNiCoCu单晶模型内部不同压头半径下的纳米压入Ph曲线如图5所示由图5可知，随着纳米压头半径的增加，B点的压人深度与载荷也最随之增大.B点对应着模型内部形核点，即随着压头半径的增大，模型内部形核点的压人深度和载荷均增大.该结果与 Ruestes 等人2 8 发现形核的临界应力随压头半径的增大而增大现象一致该结果进一步证明了压头的尺寸效应。随后，根据Hertzian接触理论和P-h曲线拟合了不同压头半径下纳米压痕的杨氏模量和硬度，其结果如表1所示，由表1可知，随着压头半径的增大，杨氏模量逐渐增大这是由于，随着压头半径增加，模型形核的临界应力增大，根据Hertzian接触理论，拟合所得的杨氏模量增大随着压头半径的增大，材料硬度逐渐减小。根据压痕尺寸效应，尽管压头半径越大，B点的载荷也越原子与分子物理学报S=Th(2R-h)(4)(5)11.5-Youngs modulus-*-Hardness48Numberofgrains第3期2500-R-50AR=60 A-R=70 A2000R=80 A1500-1000500-00.0-11.0图5不同压头半径下纳米压人载荷深度曲线10.5Fig.5Indentation P-h curves of the models with dif-ferent indenter radii.10.09.59.08.58.0-7.512160.5大，但接触面积增加是主要原因，因此随着压头半径的增加，材料的硬度反而减小该结果与Durst等人2 9 发现的Ni多晶压头尺寸效应相符合.表1不同压头半径下模型的杨氏模量和硬度Table 1 Young s moduli and hardnesses of model with differ-.ent indenter radiRadius/AYoungs modulus/GPaHardness/GPa为了分析不同压头半径对模型内位错扩展的影响，统计了在压痕深度h=1 nm下模型内部的位错，其结果如图6 所示。压头会在材料表面造成缺陷，位错形核扩展并形成剪切环：随着压入深度的增加，纳米压头下位错从接触面滑出，形成棱柱环，棱柱环逐渐长大扩展到模型内部：且从图6(c)中可以观察到，随着压头半径的增大，在压头下方有明显的位错堆积和沿 扩展到模型内部的柱状环生成在压人深度h=1nm下，半径为50 A，6 0 A，7 0 A 和8 0 A的压头模型内部位错密度分别为6.0 110-2/A，6.1310-2/A，6.7 310-2/A 和9.36 10-2/A.在相同压人深度下，较大的压头可以产生较高的位错密度.因此，在研究FeCrNiCoCu纳米压痕时，应采用较大半径的纳米压头，以便在研究位错产生及扩展的机制.3.3压入速度的影响加载速率对材料的屈服点有显著的影响，因此在本章节中，探究了不同压人速度对FeCrNiC-oCu的力学性能和微观组织的影响根据章节3.2032003-41.0Depth/nm5060307.39315.06320.93331.5625.6724.421.52.023.122.57021.013.080第41卷(a)Z(c)图6不同压头半径在压人深度1nm下位错示意图(a)R=50 A;(b)R=60 A;(c)R=70 A;(d)R=50 A.Fig.6 Diagrams of dislocations configuration with vari-ous indenter radi at 1 nm depth.(a)R=50 A;(b)R=60 A;(c)R=70 A;(d)R=80 A.中所述，采用半径R=70A的压头分别以10 m/s，20m/s，50 m/s 和10 0 m/s的速度压人到模型中，以探究不同压人速度下模型的弹塑性变形不同压人速度下的纳米压入Ph 曲线如图7 所示由图7 可知，不同压人速度下，C点对应的压痕深度分别为0.56 nm，0.58 2 n m，0.6 0 5n m 和0.6 6nm，载荷分别为535.41nN，56 7.36 n N，57 7.91nN和6 38.92 nN.该结果表明，在较高压人速度下，位错形核需要更高的力，因此随着纳米压人速度的增加，C点对应的载荷逐渐升高.2500-V=10m/s-V=20 m/s2000-V=50m/s-V=100m/s1500100050000.0图7不同压人速度下纳米压人载荷一深度曲线Fig.71Indentation P-h curves of model with differentvelocities.根据Hertzian接触理论和P-h 曲线拟合了不同压人速度下纳米压痕的杨氏模量和硬度，其结果如表2 所示尽管随着压人速度的增加，C点对应的压痕深度增大，接触面积也增大，但与不同压头半径压人的情况不同，随着压入速度的增陈风明，赵光霞：FeCrNiCoCu纳米压痕性能的分子动力学研究(b)(d)crossslipdislocationloops0.5第3期大，点对应的载荷显著的增加，接触面积的增量引发的效果与载荷增大引发的效果相抵消：因此，拟合所得的杨氏模量和硬度相差较小，杨氏模量的最大误差为1.8%，硬度的最大误差为2.25%，这表明纳米压入速度从10 m/s增加到100 m/s对FeCrNiCoCu的杨氏模量和硬度不存在影响.表2 不同压人速度下模型的杨氏模量和硬度OdisorderatomsHCPatoms1.01.5Depth/nmTable 2 Young s moduli and hardnesses of model with differ-ent velocitiesRadius/AYoungs modulus/GPaHardness/GPa随后，为分析不同压入速度对模型内位错扩展的影响，统计了在压痕深度h=1nm下模型内部的位错，其结果如图8 所示。与图6 中所示的结果相似，在模型内部观察到棱柱环的形成为探究压人速度对位错密度的影响，统计了模型内部的位错密度其结果显示，在压入深度h=1nm下，压入速度为10 m/s，2 0 m/s，50 m/s 和100m/s的模型内部位错密度分别为8.9410-2/A,6.73 10-2/A,5.14 10-2/A 和 4.43 10-2/A表明压人速度越快，位错密度越低为探究压人速度对位错传播速度的影响，统计了位错扩展的最大深度到表面的距离：其结果显示，压人速度为10 m/s，2 0 m/s，50 m/s 和10 0 m/s的模型位错扩展深度分别为96.33A，7 4.43A，85.65A和7 3.0 8 A.由图8(b)可知，压速度20m/s的位错扩展深度较小，是由于在模型内部产生了位错环，削弱了位错向基体内部扩展的动力因此，压入速度越快，位错扩展的最大深度越小，即位错传播速度越慢综上所述，随着压人速度增加，模型内部位错密度减小，位错的传播速度越慢.2.02.510323.4822.643.04结 论在本工作中，利用分子动力学方法模拟了FeCrNiCoCu纳米压人过程，并探究了不同模拟参数（晶粒数、压头半径和压入速度)对模型的纳米压痕性能的影响，通过分析得出以下结论：1、随着晶粒数增加，P-h曲线上载荷第一次下降点对应的压痕深度逐渐增加，材料的塑性增加；拟合所得的杨氏模量和硬度值逐渐减小，032003-520320.93321.98 319.0623.1222.705010023.09第41卷(a)(c)Z图8 不同压入速度在压人深度1nm下位错示意图：(a)=10 m/s;(b)u=20 m/s;(c)=50 m/s;(d)u=100 m/s.Fig.8 Diagrams of dislocations configuration with vari-ous velocities at 1 nm depth:(a)u=10 m/s;(b)=20 m/s;(c)=50 m/s;(d)=100m/s.这是由于晶粒数增加，模型内部的缺陷增多。2、随着压头半径的增大，临界形核应力增大，Ph 曲线上载荷第一次下降点对应的载荷和压人深度也增大；杨氏模量随着压头半径的增大而增加；压头半径增大，接触面积增加占主要影响因素，因此硬度随着压头半径增减而减小；较大的压头半径有利于模型内位错活化.3、随着压人速度的增大，位错形核需要更大的力，因此Ph 曲线上载荷第一次下降点对应的载荷和压人深度增大；纳米压入速度对杨氏模量和硬度的影响微乎其微；压入速度越快，位错密度越低，位错传播速度越慢。参考文献：1Gao J C,Li R.The development of studies in high-entropy alloy J.J.Funct.Mater.,2008,39:1059（i n Ch i n e s e）高家诚，李锐高熵合金研究的新进展J功能材料，2 0 0 8，39：10 592Zeng C,He W,Ai Y L,et al.Research overview ofhigh entropy alloy J.T.Mater.Heat.Terat.,2020,41：37（i n Ch i n e s e）【曾聪，何文，艾云龙，等高熵合金研究概况J材料热处理学报，2 0 2 0，41：373Zhang X,Sun H F,Guo N N,et al.Research 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