各向异性与面内晶界对具有立方-立方和孪生界面Cu/Pd多层膜力学性能的影响

摘要

晶界和晶体结构各向异性影响晶体材料的力学性能。当多层膜沿不同方向受载时，界面结构对力学性能的影响可能多样。本研究通过分子动力学模拟，研究了具有立方-立方（COC）和孪生界面的面内单晶及多晶Cu/Pd多层膜在拉伸载荷下的力学行为，探讨界面结构、加载方向及面内晶界的影响。结果显示：界面错配位错线经弛豫后发生弯曲，300 K高温是位错线弯曲的必要条件。沿〈110〉方向拉伸时，COC界面的强化效应更明显；沿〈112〉方向拉伸时，孪生界面的强化效应更显著，体现了界面结构对力学性能的各向异性影响。而在面内蜂窝状多晶模型中，孪生界面表现出显著强化效应，且未观察到蜷曲位错。

引言

纳米结构金属多层（NMM）膜因其优异的力学性能（通常优于其组分）而备受关注。界面是NMM膜中最常见的平面缺陷之一，可作为缺陷的源/汇、势垒和储存位。根据两侧晶格失配程度，界面可分为相干、半相干和非相干界面。Cu/Pd和Au/Ni多层膜是最早发现具有优异力学性能的多层膜体系。Yang等人通过鼓膜测试测得Cu/Pd和Au/Ni双轴弹性模量分别从0.27增至1.31 TPa、0.21增至0.46 TPa。Davis等人用更先进技术测量Cu/Pd和Cu/Ni多层膜的弹性与结构性能，未观察到显著反常弹性行为，引发关于Cu/Pd多层膜超模量效应是否存在的争议。

NMM力学性能强烈依赖相邻层间界面结构。Howe等人研究Pd在Cu(111)上生长发现其沿〈111〉方向形成孪生FCC结构。界面孪生结构通常对强度有深远影响。Weng等人用MD模拟研究Cu/Ni多层膜，发现相干孪生界面显著强化。但我们近期工作在沿〈110〉方向拉伸Cu/Pd多层膜时，观察到孪生界面强化效应不明显。此外，错配位错网络形状在能量极小化和弛豫过程中会发生变化。Shao等人通过MD模拟研究Cu/Ni多层膜界面弛豫机制及位错网络演化。这些工作的加载方向多为垂直于界面（面外加载）。然而，由于晶体力学性能各向异性，界面在不同加载方向下可能发挥不同作用。

实际中多层膜更常承受平行于界面的载荷（面内加载）。Zhou等人提出柱状晶纳米孪生金属在平行孪生平面外力作用下，由多条项链状伸长蜷曲位错主导的强化机制，这在Cu/Ni多层膜中也被观察到。但此类蜷曲位错在面外加载模拟中罕见。现有面内拉伸MD模拟通常仅沿特定方向（如〈112〉或〈110〉），鲜有两方向对比研究。实验制备的多层膜单层通常为面内多晶，含有许多垂直于界面的晶界。上述蜷曲位错常见于微小失配的相干孪生膜或孪生多层膜，在高失配孪生界面膜中能否形成仍未知。Cu/Pd多层膜失配度约7.07%，远大于Cu/Ni（~2.7%），因此Cu/Ni得出的强化/弱化机制未必适用。实验表征发现Cu/Pd多层膜中常见孪生和立方-立方两种界面。理解界面结构对大失配多层膜力学性能的影响，对设计高性能纳米多层膜意义重大。

本工作构建面内蜂窝晶和单晶两类样品，每类含COC和孪生两种界面，共四种模型：SC COC、SC Twin、HC COC、HC Twin。通过系列MD拉伸模拟，探究界面结构、加载方向、面内晶界对力学性能的影响。

方法

采用第二近邻修正嵌入原子法（2NN MEAM）势函数描述原子间相互作用。Cu-Cu、Pd-Pd势参数采用Lee等人成果，Cu-Pd二元势参数基于前期工作拟合，能再现纯Cu、Pd及其合金的基本物理力学性能及生长孪生形成机制。FCC/FCC多层膜倾向沿〈111〉生长，界面取向关系为{111}FCC/{111}FCC，故仅考虑Cu{111}/Pd{111}界面。

单晶（SC）模型中，COC界面两侧晶向相同；Twin界面两侧晶向关于界面对称。蜂窝晶（HC）模型用Voronoi法由单晶单元构建，含四个晶粒，相对单晶绕z轴逆时针旋转25°、55°、85°、0°。先在0 K能量极小化优化界面结构，再在300 K下NPT系综弛豫20 ps使三向压力为零。对SC COC和SC Twin沿x或y方向以5×10⁸ s⁻¹应变率进行单轴拉伸模拟（LAMMPS），加载时保持另外两向压力为零，三向周期性边界条件。同样模拟HC COC和HC Twin研究面内晶界与界面结构影响。位错提取算法（DXA）分析局部结构，OVITO可视化微观演化。

结果与讨论

界面结构表征

能量极小化后，SC COC和SC Twin界面错配位错网络呈三角周期性结构，与Ag(111)/Ni(111)类似。SC COC界面由相干区（CR）和堆积层错（SF）区交替组成；SC Twin界面完全由孪生边界（TB）构成，TB由相邻原子层Cu、Pd原子交替排列的三角形组成。能量极小化阶段样品尺寸固定，位错线保持直线，残余应力未充分释放。NPT弛豫允许尺寸变化释放残余应力后，位错线发生弯曲，类似半相干Cu{111}/Ni{111}界面现象。各晶格结构原子数变化不显著，表明SF和TB总面积变化不大。对比10 K低温弛豫发现位错线保持直线，证实高温（300 K）是位错线弯曲的必要条件——热激活使位错线周围原子克服能垒移动至相邻密排原子柱，弯曲幅度仅1–2个原子层距离。蜂窝晶样品也观察到类似弯曲。

加载方向效应

应力-应变曲线显示：所有曲线线性上升至最高点后快速下降并波动。杨氏模量E由0–0.03应变范围斜率拟合得出。沿y [2̄11]方向E（SC COC 145.62 GPa，SC Twin 142.95 GPa）大于沿x [011̄]方向（SC COC 135.04 GPa，SC Twin 133.84 GPa）。同方向不同界面E值几乎相同，表明E对本文涉及界面结构依赖性不强，与实验一致。立方晶体弹性模量沿任意取向由弹性常数决定，〈112〉和〈110〉方向系数相同（0.25），理论上Cu/Pd混合模量应相等，但模拟中两方向E不同，归因于界面影响区弹性各向异性。

最大应力σₘ沿y轴大于x轴，归因于施密特因子μ。沿x [011̄]拉伸时，SC COC的σₘ和εₘ略高于SC Twin，与Weng等人结果一致；沿y [2̄11]拉伸时，SC COC的σₘ和εₘ略低于SC Twin，显示孪生界面明显强化。降低应变率至1×10⁸ s⁻¹得相似结论，但差异微小可忽略。流动应力σ_f（0.121<ε<0.150平均应力）差异显著：沿x方向SC COC σ_f大于SC Twin，COC强化更明显；沿y方向SC Twin σ_f比SC COC高15.55%，孪生界面强化明显。这表明界面结构强化效应依赖加载方向，呈各向异性。

面内晶界效应

HC COC和HC Twin拉伸模拟显示：两者E值接近，介于SC样品沿x和y方向E之间，略高于实验值（115–125 GPa），因理想模型未考虑空位、杂质等缺陷。HC样品σₘ低于SC样品，因面内晶界引入局部应力集中促使位错更易核生。以Twin界面为例，HC Twin位错从晶界与孪生界面交汇处核生，而SC Twin位错从孪生界面核生（无论x或y方向）。

尽管HC样品σₘ较低，但σ_f高于SC样品，显示面内晶界强化效应。强化主要来自：(1) 面内晶界提供更多位错核生点，产生更多被COC和Twin界面阻滞的位错；(2) 面内晶界阻滞位错运动。HC Twin σ_f高于HC COC，表明孪生界面阻滞位错效果更显著。HC Twin塑性流动阶段微观结构显示：部分位错核生滑移形成堆积层错，受界面限制形成发夹状滑移，部分位错相互反应形成楼梯棒位错，未观察到项链状多重蜷曲位错（常见于Cu/Ni多层膜和纳米孪生Cu面内拉伸），主要因Cu/Pd较大晶格失配导致界面结构更复杂。

多晶样品力学性能对应变率更敏感。对HC COC、HC Twin（沿x）和SC Twin（沿x、y）进行5×10⁷–5×10⁹ s⁻¹不同应变率模拟。HC样品低应变率下降阶段应力波动，高应变率下波动不明显。σₘ和σ_f随应变率增加而增大。SC Twin沿y方向σₘ远大于其他样品，归因于施密特因子。但面内晶界强化使HC样品σ_f接近SC Twin沿y方向值。高应变率（1×10⁸–5×10⁹ s⁻¹）下孪生界面样品σ_f高于COC界面，显示孪生强化效应，但随应变率增加该效应减弱。5×10⁷ s⁻¹下HC Twin σ_f低于HC COC，可能因低应变率核生位错少，孪生界面强化减弱。

结论

本工作对具有COC和孪生界面的面内单晶及多晶Cu/Pd多层膜进行多方向MD拉伸模拟，探究界面结构、加载方向、面内晶界对力学性能的影响。主要发现：(1) 界面错配位错呈三角网络，弛豫后位错线弯曲，300 K高温是弯曲必要条件；(2) 弹性模量无明显界面结构依赖，但与加载方向相关；(3) 沿〈110〉拉伸时COC界面强化明显，沿〈112〉拉伸时孪生界面强化明显，体现界面结构强化效应的各向异性；(4) 面内蜂窝多晶模型中孪生界面表现显著强化，未观察到蜷曲位错。