高应变率下温度对单晶铜拉伸微观变形的影响机理_魏双磊.pdf

第 15 卷 第 4 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 143 收稿日期：20220528 Received：2022-05-28 作者简介：魏双磊（1997），男，硕士生，主要研究方向为铜石墨烯复合材料。Biography：WEI Shuang-lei(1997-),Male,Postgraduate,Research focus:copper graphene composite material.通讯作者：王振敏（1966），女，博士，副教授，主要研究方向为金属材料力学性能。Corresponding author：WANG Zhen-min(1966-),Female,Doctor,Associate professor,Research focus:mechanical properties of metal materials.引文格式：魏双磊,褚浩男,韩帅,等.高应变率下温度对单晶铜拉伸微观变形的影响机理J.精密成形工程,2023,15(4):143-152.WEI Shuang-lei,CHU Hao-nan,HAN Shuai,et al.Effect Mechanism of Temperature on Microscopic Tensile Deformation of Single Crystal Copper at High Strain RateJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(4):143-152.高应变率下温度对单晶铜拉伸微观变形 的影响机理 魏双磊，褚浩男，韩帅，付绍祥，王振敏，胡小东（辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）摘要：目的 目的 以单晶铜为研究对象，探究 5109 s1高应变率下温度对单晶铜的应力及微观变形的影响，为设计、制备高性能单晶铜导线提供理论依据。方法方法 运用分子动力学模拟技术，构建尺寸为10.8 nm10.8 nm10.8 nm 的单晶铜模型，在应变率为 5109 s1，温度为 1001 100 K 范围内对单晶铜进行 x、y、z 三轴拉伸，模拟其应力应变、位错密度、晶体结构转变规律，对晶体的有序性和孔洞体积分数的微观结构变化进行研究。结果结果 随着温度的升高，单晶铜的屈服强度降低，在温度为 1 100 K时单晶铜的屈服强度比 100 K 时降低了约 55%，与屈服强度相对应的应变数值会提前约 5%。得到了1001 100 K 温度范围内应力应变曲线，该曲线包括 3 个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段和应力下降阶段。对应力变化的原因进行分析，当应力达到屈服点后，单晶铜内部出现孔洞形核，孔洞快速长大并合并；在变形的同时，晶格结构发生转变，在 1 100 K 温度时 FCC 结构全部转变为 Other 结构；利用径向分布函数对晶格有序性进行分析，发现在高应变下会产生非晶结构。结论结论 随着温度的升高，单晶铜的屈服强度降低，屈服强度的下降主要是位错密度增大、孔洞形核、快速长大和合并以及晶格转变共同作用的结果。关键词：分子动力学；单晶铜；晶体结构；应力应变；孔洞分析 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.016 中图分类号：TG146.11 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)16-0143-10 Effect Mechanism of Temperature on Microscopic Tensile Deformation of Single Crystal Copper at High Strain Rate WEI Shuang-lei,CHU Hao-nan,HAN Shuai,FU Shao-xiang,WANG Zhen-min,HU Xiao-dong(School of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Liaoning Anshan 114051,China)ABSTRACT:The work aims to investigate the effects of temperature on stress and microscopic deformation of single crystal copper at high strain rate of 5109 s1 with single crystal copper as the research object,and to provide a theoretical basis for de-144 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 sign and preparation of high performance single crystal copper wires.The molecular dynamics simulation technology was used to construct a single crystal copper model with a size of 10.8 nm10.8 nm10.8 nm,and the single crystal copper was triaxially stretched along x-axis,y-axis and z-axis at a high strain rate of 5109 s1 in the temperature range of 100-1 100 K to simulate its stress-strain,dislocation density,crystal structure transformation rules,and research on the microstructure changes of crystal or-der and void volume fraction.As the temperature increased,the yield strength of the single crystal copper decreased.At 1 100 K,the yield strength of the single crystal copper was about 55%lower than that at 100 K,and the strain value corresponding to the yield strength would be about 5%earlier.The stress-strain curve at 100-1 100 K was obtained,and the curve included three stages:the elastic deformation stage,the plastic deformation stage,and the stress drop stage.The reason for the stress change was analyzed.When the stress reached the yield point,voids nucleated inside the single crystal copper,and the holes grew rap-idly and merged.The lattice structure changed while deforming,and all FCC transformed into other structure at 1 100 K.Analy-sis of the lattice order through the radial distribution function revealed that an amorphous structure occurred at high strains.With the increase of temperature,the yield strength of the single crystal copper decreases mainly due to the combined effect of the in-crease of dislocation density,void nucleation,rapid growth and merging,and lattice transformation.KEY WORDS:molecular dynamics;single crystal copper;crystal structure;stress-strain;void analysis 随着 5G 通信技术、高铁和新能源汽车的快速发展，极大地推动了高强度和高导电材料的需求。单晶铜作为高纯度无氧铜，不仅具有纯铜优良的机械和理化性能1-3，还具有高屏蔽4和高导电性能5。多晶材料在纳米尺度上会发生晶界散射，使电导率降低；单晶铜作为无晶界材料，具有更高的电导率，广泛用于航空航天、电机转子和海底电缆等领域6-8。采用晶体生长工艺制备单晶铜导线，常温下单晶铜的电导率为 113%IACS（International Annealed Copper Stan-dard），高于纯银9，为制备高导电缆提供了新的方向。然而，在电流传输过程中，单晶铜的强度和寿命易受温度影响。通过计算机模拟的方法研究单晶铜拉伸过程中微观结构转变和力学性能变化为进一步制备高强度单晶铜电缆提供了必备的基础知识和理论依据。单晶材料由于具有独特的点阵结构和优异的性能而受到了广泛关注。Li 等10建立了单晶钛的分子动力学模型，通过共邻分析法（Common Neighbor Analysis，CNA）和位错提取法（Dislocation Analysis，DXA）研究了单晶钛的微观结构变形机制，结果表明，在剪应力作用下，单晶钛的位错主要集中在裂纹区，且位错会沿着剪切力方向移动。Li 等11建立了单晶铜分子动力学模型，采用嵌入原子势的方法（Embed-ded Atom Method,EAM）研究了单晶铜在不同温度下的剪切行为，结果表明，单晶铜在温度为 0 K 时的剪切模量为 401.5 GPa，且剪切模量随着温度的升高而降低。Liu 等12通过分子动力学模拟研究了多晶铜在高应变率条件下的微观结构演化，结果表明，位错的运动产生了孪晶，且孪晶和位错共同控制塑性变形，两者的产生能够增强材料的韧性和强度，且高应变率和大应变能促进位错和孪晶的形成。Lin 等13研究了单晶钛（Ti）纳米线在高应变率拉伸作用下的塑性变形行为，结果表明，密排六方晶体结构和面心立方晶体结构堆垛层错中的位错滑移主导了 Ti 纳米线的塑性变形行为。Li 等14基于嵌入原子势法（EAM），采用分子动力学模拟的方法研究了铝单晶在不同温度和应变率下的单轴拉伸和压缩曲线，结果表明，单晶铝拉伸和压缩的应力应变曲线并不对称，主要是由于变形过程中周围环境所做的功转化为纳米晶 Al 应变能的过程不同；且随着温度的升高，单晶铝弹性模量和屈服强度逐渐降低。Yang 等15通过分子动力学模拟了单晶镁在不同温度和应变率下的单轴压缩变形，结果表明，随着温度的升高，位错密度降低，位错运动是塑性变形的主要机制。Yang 等16采用分子动力学的方法，研究了在三向拉伸条件下，孔洞、应变率、低温对单晶铜力学性能的影响，结果表明，减小孔洞尺寸和提高应变率都能提高单晶铜的强度，且屈服应力易受结晶方向影响。Zhang 等17通过分子动力学研究了石墨烯和纳米铜复合材料的压缩行为，结果表明，在原子水平压缩的情况下会发生原子错排，可有效提高材料强度。在