摘要
合金化作为提升材料力学性能的方式已成为研究热点之一，其中溶质元素的含量、分布及偏析行为会对材料性能有着重要的影响。同时，梯度结构作为一种高效强化策略，不同于以牺牲材料韧性为代价的强化方式，提升材料强度的同时还可以保留较好的韧性。本研究针对溶质含量、晶界偏析以及梯度结构等影响因素，建立三种Cu-Ni合金模型，利用分子动力学方法模拟研究纳米多晶合金拉伸行为和变形过程，进而澄清其强化机制。 (1)对不同Ni含量的Cu-Ni合金进行拉伸模拟，发现随着Ni含量的增加，Cu-Ni合金的抗拉强度和屈服强度逐渐增加，当Ni含量达到50%时，强度达到最大值，但当Ni含量超过50%时，合金强度有所下降。这是因为当Ni含量超过50%时，短程聚集程度减小，阻碍位错的能力减弱。此外，还发现变形初期合金中的位错主要是Perfect位错和Other位错，随着应变增加，Shockley位错逐渐增加，占据主导地位，当两种Shockley位错相遇时，发生位错反应，部分Shockley位错转变为Stair-rod位错。 (2)对晶界偏析Ni原子的Cu-Ni合金进行拉伸模拟，发现随着偏析含量增加，合金的强度逐渐提高。一方面，是由于Ni原子含量增加，晶界能量逐渐降低，变得更加稳定，晶界处形成的位错源越少；另一方面，晶界阻碍位错滑移的能力增强，减弱了位错对紧邻晶粒的作用并限制其位错形核，导致位错密度逐渐减小。拉伸变形中，晶粒内的变形主要依赖于Shockley位错的滑移协调变形，Other位错次之。此外，晶界上的Ni原子形成了稳定的骨架，可以减缓晶界的迁移，从而增强力学性能。 (3)对三种梯度结构Cu-Ni合金进行拉伸模拟，发现顺梯度结构的强度最高，芯部细晶粒的梯度结构其次，芯部粗晶粒的强度最小。因为变形过程中，前两者中应力从小晶粒逐渐向大晶粒传递，而后者梯度结构应力传递则相反，导致了变形初期芯部粗晶粒不能承受较大的应力，因此其强度小于前面两种合金，而顺梯度结构比芯部细晶粒结构的协调变形能力更强，所以其强度最大。此外，芯部粗晶粒结构主要以晶界滑移变形为主，阻碍位错能力降低，位错容易增殖。 (4)对以上三种Cu-Ni合金模型研究了温度对拉伸性能的影响，发现温度升高，合金的强度和弹性模量都逐渐下降。原因是温度升高，原子热振动剧烈程度增加，容易出现热缺陷，合金稳定性下降。同时，温度升高还导致位错密度下降，位错之间的相互作用减弱，导致合金的抗拉强度下降。
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