Cu/Al爆炸沖擊界面連接及拉伸與切削性能的分子動力學(xué)模擬

張 巖， 肖萬伸

(湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，長沙 410082)

Cu/Al爆炸沖擊界面連接及拉伸與切削性能的分子動力學(xué)模擬

張 巖， 肖萬伸

(湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，長沙 410082)

基于分子動力學(xué)方法，從微觀角度揭示Cu/Al焊接點處的瞬時爆炸焊接過程，研究納米焊接件接頭處的力學(xué)特性及切削加工性能。結(jié)果表明：鋁、銅板互相碰撞后動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，異種原子間互相熔合滲透形成接頭；焊接件拉伸時彈性模量介于單晶鋁和單晶銅之間，抗拉強度為6.89 GPa，這一值大于宏觀實驗結(jié)果，但所對應(yīng)的應(yīng)變率10.67%與實驗中的11%接近；在接頭區(qū)域附近，位錯與無序晶格的相互作用造成了塑性變形階段的應(yīng)力強化，使得拉伸應(yīng)力值大于兩種單晶；這一強化機制也體現(xiàn)在刀具切削接頭區(qū)域時的平均切削力大于單晶銅、鋁的平均值，與實驗結(jié)果相一致；無序晶格區(qū)嚴重的位錯形核有利于位錯產(chǎn)生且沿與切削方向呈45°傳播，傳播時的塞積導(dǎo)致切削加工硬化效應(yīng)。

爆炸焊接；分子動力學(xué)；無序晶格；位錯；強化機制

金屬復(fù)合材料因其具備單一金屬所無法比擬的綜合性能而被廣泛應(yīng)用，將兩種或多種金屬復(fù)合制造的加工工藝已得到迅速發(fā)展[1]。然而物理性能和化學(xué)成分各異的異種金屬間如鋁、銅、鈦等往往難以運用傳統(tǒng)焊接手段實現(xiàn)連接，由此爆炸焊接技術(shù)作為一種固相焊接法被廣泛應(yīng)用在金屬復(fù)合板的加工領(lǐng)域。由它制備的焊件具有優(yōu)異的力學(xué)性能[2-3]，國內(nèi)外學(xué)者對這種特種焊接手段進行了一些深入的研究。

Durgutlu等[4]通過對不銹鋼和銅實施爆炸焊接，研究了復(fù)板與基板間距離對成型界面形狀的影響，結(jié)果表明在合適的范圍內(nèi)，板間距離越大，結(jié)合界面平整度越低，波浪狀程度越高。Borchers等[5]實現(xiàn)了中碳鋼與低碳鋼間的焊接，并發(fā)現(xiàn)界面結(jié)合區(qū)具有非常高的硬度值，且在拉伸實驗中低碳鋼最先出現(xiàn)斷裂。Zhang等[6]探究了鎂鋁合金AZ31B/AA6061結(jié)合界面的抗拉強度與退火溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當退火溫度在200～250 ℃時，抗拉強度隨溫度升高而增強，而當溫度高于250 ℃時，界面間會產(chǎn)生金屬復(fù)合層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抗拉強度隨溫度的升高而降低；矯震[7]利用分子動力學(xué)模擬建立了Ni-Al焊接件的微觀模型，研究了表面粗糙度對連接表面相組織的影響，結(jié)果顯示較硬材料Ni表面含有凸起時，會對接頭處相的組織成分及結(jié)構(gòu)有較大影響；Chu等[8]使用數(shù)值模擬計算與實驗對照的方法研究了鐵鈦焊接界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)在沖擊過程中材料較大的塑性變形會導(dǎo)致界面區(qū)域波浪狀結(jié)構(gòu)的形成。

目前對爆炸焊接的研究主要集中在通過加工工藝參數(shù)的改進來提高焊件性能，以及對材料界面相組織的觀察分析。由于爆炸焊接作業(yè)的瞬時性及破壞性，導(dǎo)致難以通過實時觀測手段從微觀原子角度去揭示焊接成型原理和焊件的力學(xué)、加工性能。分子動力學(xué)(MD)方法則能夠很好地克服這些困難，它可以模擬極短時間內(nèi)的原子相互作用[9-10]，并提供從微觀角度研究異種金屬焊接機理的有效途徑。

本研究利用分子動力學(xué)(MD)方法模擬異種金屬Cu/Al間焊接點處的瞬時爆炸焊接過程，通過速度加載使銅板與鋁板進行碰撞，研究兩板納米界面區(qū)域的原子運動；再對形成的連接件接頭施加拉伸作用和切削加工，并與相同尺寸的單晶鋁、銅進行對比，揭示連接件接頭的力學(xué)性能及加工特性的微觀機理。

1 模擬方法

Cu/Al爆炸焊接過程及其微觀模型如圖1所示。由于實際焊接中兩板夾角的作用主要在于產(chǎn)生射流來對板面(氧化膜)進行清理[11]，而這里納米尺度下鋁、銅板為理想晶格表面，材料表面清潔；同時實際接觸時板間的夾角較小(約5°～10°)[18]，故在分子動力學(xué)模型中將兩板近似為平行。圖1(b)為(a)中焊接點α的納米晶體模型，其中Al為基板，Cu為復(fù)板，它們沿x，y，z方向的尺寸均為15 nm×8 nm×8 nm?；灏ü潭▽雍团ｎD層，固定層處的原子用來固定約束板的剛性移動，牛頓層原子的運動遵循哈密頓方程和牛頓力學(xué)定律；復(fù)板包括加載層和牛頓層，加載層的原子用來施加力或速度來設(shè)定運動。兩板與z軸平行的外表面采用周期性邊界條件PBC(Periodic Boundary Conditions)，用來模擬無限大表面以消除xy方向的尺度效應(yīng)；z方向設(shè)置為自由邊界條件。

原子間的相互作用力通過勢函數(shù)來描述和計算，模型中Al-Al，Cu-Cu和Al-Cu原子間采用相應(yīng)的多體EAM(embedded atom method)勢函數(shù)[12-13]。EAM 勢體系中的總能量Etot可以表示為：

(1)

式中：Φij表示i原子和j原子間的對勢；Fi是i原子的嵌入勢能；ρi是除了原子i外其他鄰近原子在原子i處產(chǎn)生的電子云密度的線性疊加，即為：

(2)

系統(tǒng)采用NVE系綜，初始溫度設(shè)為20 ℃，時間步長1fs，求解過程采用Velocity-Verlet 速度積分算法。仿真模擬中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)使用OVITO軟件[14]來進行可視化和分析，缺陷原子的識別采用公共近鄰分析CNA[15](common neighbor analysis)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1納米尺度焊接過程模擬

模擬開始時，先對系統(tǒng)弛豫2000 fs，再給復(fù)板施加與z正向相反的初始速度來代替炸藥爆炸產(chǎn)生的載荷作用，速度的大小保證在焊接窗口內(nèi)，這里取值1250 m/s。碰撞后復(fù)板的動能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能，接頭處溫度升高，原子呈未熔化的非晶狀態(tài)。如圖2(a)所示，兩板接觸后3×103fs時界面區(qū)域平均溫度為372 ℃，在兩板交界處的熱量使得原子運動劇烈，晶格遭到破壞，鋁、銅原子互相滲透。圖2(b)顯示了碰撞后20×103fs，界面區(qū)域平均溫度為589 ℃，兩種原子間的滲透作用得到加強，且復(fù)板的部分銅原子明顯地擴散到了鋁板中，這是因為一方面銅板具有初始動能，而鋁的熔點低，其原子間的金屬鍵容易被破壞，晶格破壞后非晶狀體下鋁原子間的空隙有利于銅原子的滲透；另一方面Cu原子半徑要小于Al原子半徑，更容易向Al基體中擴散。Paul等[16]通過實驗表明，原子間的這種互相滲透作用會形成AlmCun基化合物，且化合物的含量與分布將明顯影響接頭處的硬度與力學(xué)性能。模擬結(jié)果顯示在爆炸焊接過程界面區(qū)的最高溫度為639 ℃，小于單晶鋁的熔點660.4 ℃。

板件的碰撞時系統(tǒng)能量由動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，界面附近原子運動劇烈并相互滲透，失序晶格間進行熔合后隨著系統(tǒng)冷卻與溫度降低，界面區(qū)域交錯的異種原子間鍵合穩(wěn)定，形成了連接件接頭。如圖3所示，張紅安和陳剛[17]利用掃描電鏡對焊件界面區(qū)的微觀組織進行了觀察和分析，并發(fā)現(xiàn)Cu-Al兩種金屬的結(jié)合主要是由過渡區(qū)材料熔合和原子擴散共同作用而形成。

2.2連接件的拉伸力學(xué)特性

對冷卻穩(wěn)定后形成的連接件接頭，設(shè)置系統(tǒng)初始溫度20 ℃，對銅板加載層施加沿z向速率為0.015 nm/ps的拉伸載荷，約束鋁板固定層位移。當拉伸開始后，鋁板靠近界面的部分最先出現(xiàn)頸縮，而Cu/Al連接處并沒有發(fā)生分離，基板和復(fù)板的焊接性能良好；隨著拉伸的繼續(xù)進行，最先出現(xiàn)頸縮的部分被拉斷，界面的連接處并沒有被撕裂。圖4(a)，(b)分別顯示了拉伸應(yīng)變率為12.47%和38.54%時界面附近區(qū)域的變形情況，這一斷裂情況與倪梁華使用萬能試驗機所做的拉伸斷裂實驗相一致，其結(jié)果表明隨著拉伸的進行鋁基體最先被撕裂，而界面處保持完整[18]。

輸出連接件接頭的拉伸曲線，同時與相同尺寸的單晶銅、鋁件進行拉伸仿真對照，如圖5所示。單晶銅、鋁的拉伸曲線在開始彈性變形階段近似直線上升，抗拉強度分別達到9.53 GPa，8.4 GPa后經(jīng)過短暫的強化階段快速下降進入塑性變形階段。對于Cu/Al焊接頭，彈性變形階段的曲線斜率介于兩種單晶之間，彈性模量為64.56 GPa；當拉伸應(yīng)變ε達到10.67%時，應(yīng)力值達到抗拉強度6.89 GPa，小于單晶銅和鋁的抗拉強度，接著應(yīng)力值下降；但在短暫的下降后曲線又有所上升，這是因為塑性變形階段產(chǎn)生的位錯在傳播過程中遇到無序晶格出現(xiàn)塞積，拉伸繼續(xù)進行導(dǎo)致應(yīng)變增大應(yīng)力集中增強，位錯積累達到一定程度后，塞積的位錯擴散出來，伴隨著應(yīng)力值的再次下降；同時變形中部分非晶無序結(jié)構(gòu)的晶化也有利于塞積的擴散。焊接頭在達到最大抗拉強度時的應(yīng)變率ε為10.67%，與在宏觀尺度下焊件拉伸實驗(約11%)相接近[19]，但在實驗中的最大抗拉強度為243 MPa，小于仿真值。這是由于實驗條件下宏觀焊接件中不可避免存在了氣孔、雜質(zhì)等微觀因素，而仿真中微觀環(huán)境理想，原子晶格排列整齊不存在缺陷，因此導(dǎo)致了二者抗拉強度的差異。

焊接接頭塑性變形階段的應(yīng)力值大于兩種單晶材料，這是因為接頭在爆炸焊接形成時導(dǎo)致的界面附近原子雜亂排序和互相滲透，阻礙了位錯的傳播。造成了塑性變形階段的應(yīng)力強化作用。位錯的運動也反映在曲線的波動上。

從拉伸曲線可見，盡管連接件的彈性模量介于兩種單晶之間，但發(fā)生屈服時的應(yīng)變率最低。這也是由于在形成連接件時界面附近的晶格遭到破壞有利于位錯的形核產(chǎn)生，導(dǎo)致塑性變形階段的提前。

2.3連接件的切削特性

使用金剛石刀具對連接件的接頭區(qū)域進行切削加工，如圖6所示。由于金剛石刀具硬度遠大于被切削工件，變形量極小，因此將刀具設(shè)置為剛體[20-22]。刀具半徑為2 nm，切削深度2.2 nm，C原子與工件的Al，Cu原子采用Morse勢函數(shù)來計算相互作用力[23-24]。

由于在連接件成型過程造成了界面附近原子排列無序及位錯形核，當?shù)毒吲c工件的界面區(qū)接觸時就觸發(fā)并導(dǎo)致了部分位錯發(fā)射出來，如圖7所示；在晶格較為完整的區(qū)域位錯沿著與切削方向呈45°傳播出來，這與切削單晶鋁、銅時的傳播方向相同。隨著切削的繼續(xù)進行，刀具留下U形槽，在被加工表面上銅原子與鋁原子擴散融合效果加強，如圖8所示；這一效果不僅會出現(xiàn)在切削加工過程，在對焊接件進行其他沒有熱作用的情況下(如擠壓、冷軋等)，均能使異種原子間接觸強烈擴散加強，力學(xué)性能得到強化[18]。

輸出切削相同尺寸的焊接件、單晶銅和單晶鋁穩(wěn)定時刀具所受的切削力-位移曲線，如圖9所示。其中單晶銅的切削力平均值為106.63 nN，單晶鋁的平均值為78.41 nN，其切削力仿真值范圍與文獻[25-27]相一致；而連接件的平均切削力為117.80 nN，仿真結(jié)果驗證了連接件接頭區(qū)域的切削力均大于單晶基體材料，且具有較高的硬度[18]。這是因為Cu/Al界面附近材料有序晶格在焊接后被破壞，切削觸發(fā)新的位錯運動時，遇到障礙(無序晶格及不動位錯)就會出現(xiàn)積累，直到有足夠的力使得位錯克服阻礙繼續(xù)傳播，這就導(dǎo)致切削力增加，造成加工硬化現(xiàn)象；另外在刀具前進方向上銅與鋁間的晶格失配及其異種原子間的相互擴散作用也會使得切削力增加。

3 結(jié)論

(1)爆炸焊接過程中，復(fù)板的動能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，造成了界面附近原子晶格的破壞及異種原子間的擴散熔合，接頭處的結(jié)合機理與實驗分析相符。銅板具有初始的動能以及鋁的熔點低、原子間金屬鍵更容易被破壞導(dǎo)致銅原子較多擴散到鋁原子間。

(2)對形成的Cu/Al連接件施加0.015 nm/ps的拉伸載荷，連接件的彈性模量為64.56 GPa，介于單晶鋁和單晶銅之間。由于微觀下理想仿真環(huán)境，接頭處的抗拉強度大于宏觀尺度下的實驗值，但所對應(yīng)的應(yīng)變率均接近11%。 無序晶格對位錯傳播的阻礙引起應(yīng)力強化，導(dǎo)致了接頭塑性變形階段的應(yīng)力值大于兩種單晶材料。

(3)連接件成型過程中造成的晶格破壞與原子互相滲透有利于位錯形核，當?shù)毒吲c連接件界面區(qū)接觸時容易直接觸發(fā)位錯發(fā)射；位錯在完整晶格上的傳播方向與切削方向呈45°，與切削單晶鋁、銅時一致。連接件中的位錯在運動時遇到障礙(無序晶格及不動位錯)會出現(xiàn)積累，導(dǎo)致加工硬化效應(yīng)。連接件的切削力平均值117.80 nN，大于切削單晶銅的平均值106.63 nN和單晶鋁的78.41 nN。切削后的被加工表面上的異種原子間擴散效果得到加強。

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Abstract： Based on the molecular dynamics (MD) method, transient explosive welding process of Cu/Al junction point was revealed from the microscopic aspect, and mechanical properties and machinability of the Cu/Al nano-weldment were studied. The results show that kinetic energy is converted into internal energy in the system after the collision. The heterogeneous atoms penetrate into each other and the diffusion effect of copper atoms is better than aluminium atoms. The elastic modulus of the nano-weldment is 64.56 GPa, which is between copper’s and aluminium’s; however, its yield strength is less than those of the two monocrystals. Interactions between dislocations and disordered lattices cause the stress strengthening in the plastic deformation stage, which causes that the stress values of the weldment is larger than those of the two monocrystals. This strengthening mechanism is also reflected in the cutting process, and the weldment has the highest average cutting force 117.80 nN. A mass of dislocations nucleate in the disordered lattice areas of the weldment, and they spread at 45° to the cutting direction. However, dislocations pile up when their propagation is hindered by the disordered lattices and interface, which leads to the work hardening effect.

Keywords: explosive welding; molecular dynamics; disordered lattice; dislocation; strengthening mechanism

(責任編輯：張 崢)

MolecularDynamicsSimulationConnectionsandMechanicalPropertiesofCu/AlExplosionShockInterface

ZHANG Yan， XIAO Wanshen

(College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000014

TG13

A

1005-5053(2017)05-0001-06

2017-02-15；

2017-03-26通訊作者：肖萬伸(1959—)，男，博士，教授，主要從事微納米力學(xué)及材料性能研究，(E-mail)xwshndx@126.com。