張 巖， 肖萬(wàn)伸

(湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

Cu/Al爆炸沖擊界面連接及拉伸與切削性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬

張 巖， 肖萬(wàn)伸

(湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

基于分子動(dòng)力學(xué)方法，從微觀角度揭示Cu/Al焊接點(diǎn)處的瞬時(shí)爆炸焊接過(guò)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(dòng)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(shí)彈性模量介于單晶鋁和單晶銅之間，抗拉強(qiáng)度為6.89 GPa，這一值大于宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率10.67%與實(shí)驗(yàn)中的11%接近；在接頭區(qū)域附近，位錯(cuò)與無(wú)序晶格的相互作用造成了塑性變形階段的應(yīng)力強(qiáng)化，使得拉伸應(yīng)力值大于兩種單晶；這一強(qiáng)化機(jī)制也體現(xiàn)在刀具切削接頭區(qū)域時(shí)的平均切削力大于單晶銅、鋁的平均值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致；無(wú)序晶格區(qū)嚴(yán)重的位錯(cuò)形核有利于位錯(cuò)產(chǎn)生且沿與切削方向呈45°傳播，傳播時(shí)的塞積導(dǎo)致切削加工硬化效應(yīng)。

爆炸焊接；分子動(dòng)力學(xué)；無(wú)序晶格；位錯(cuò)；強(qiáng)化機(jī)制

金屬?gòu)?fù)合材料因其具備單一金屬所無(wú)法比擬的綜合性能而被廣泛應(yīng)用，將兩種或多種金屬?gòu)?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(yùn)用傳統(tǒng)焊接手段實(shí)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?gòu)?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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種特種焊接手段進(jìn)行了一些深入的研究。

Durgutlu等[4]通過(guò)對(duì)不銹鋼和銅實(shí)施爆炸焊接，研究了復(fù)板與基板間距離對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度與退火溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)退火溫度在200～250 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而增強(qiáng)，而當(dāng)溫度高于250 ℃時(shí)，界面間會(huì)產(chǎn)生金屬?gòu)?fù)合層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低；矯震[7]利用分子動(dòng)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(duì)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(shí)，會(huì)對(duì)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)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(guò)程中材料較大的塑性變形會(huì)導(dǎo)致界面區(qū)域波浪狀結(jié)構(gòu)的形成。

目前對(duì)爆炸焊接的研究主要集中在通過(guò)加工工藝參數(shù)的改進(jìn)來(lái)提高焊件性能，以及對(duì)材料界面相組織的觀察分析。由于爆炸焊接作業(yè)的瞬時(shí)性及破壞性，導(dǎo)致難以通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)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(dòng)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(shí)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(jī)理的有效途徑。

本研究利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法模擬異種金屬Cu/Al間焊接點(diǎn)處的瞬時(shí)爆炸焊接過(guò)程，通過(guò)速度加載使銅板與鋁板進(jìn)行碰撞，研究?jī)砂寮{米界面區(qū)域的原子運(yùn)動(dòng)；再對(duì)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(jìn)行對(duì)比，揭示連接件接頭的力學(xué)性能及加工特性的微觀機(jī)理。

1 模擬方法

Cu/Al爆炸焊接過(guò)程及其微觀模型如圖1所示。由于實(shí)際焊接中兩板夾角的作用主要在于產(chǎn)生射流來(lái)對(duì)板面(氧化膜)進(jìn)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(shí)實(shí)際接觸時(shí)板間的夾角較小(約5°～10°)[18]，故在分子動(dòng)力學(xué)模型中將兩板近似為平行。圖1(b)為(a)中焊接點(diǎn)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(lái)固定約束板的剛性移動(dòng)，牛頓層原子的運(yùn)動(dòng)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(lái)施加力或速度來(lái)設(shè)定運(yùn)動(dòng)。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(lái)模擬無(wú)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(guò)勢(shì)函數(shù)來(lái)描述和計(jì)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(shì)函數(shù)[12-13]。EAM 勢(shì)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(duì)勢(shì)；Fi是i原子的嵌入勢(shì)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(shí)間步長(zhǎng)1fs，求解過(guò)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(lái)進(jìn)行可視化和分析，缺陷原子的識(shí)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(guò)程模擬

模擬開(kāi)始時(shí)，先對(duì)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(lái)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(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)，且復(fù)板的部分銅原子明顯地?cái)U(kuò)散到了鋁板中，這是因?yàn)橐环矫驺~板具有初始動(dòng)能，而鋁的熔點(diǎn)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(kuò)散。Paul等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，原子間的這種互相滲透作用會(huì)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(guò)程界面區(qū)的最高溫度為639 ℃，小于單晶鋁的熔點(diǎn)660.4 ℃。

板件的碰撞時(shí)系統(tǒng)能量由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，界面附近原子運(yùn)動(dòng)劇烈并相互滲透，失序晶格間進(jìn)行熔合后隨著系統(tǒng)冷卻與溫度降低，界面區(qū)域交錯(cuò)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(duì)焊件界面區(qū)的微觀組織進(jìn)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(guò)渡區(qū)材料熔合和原子擴(kuò)散共同作用而形成。

2.2連接件的拉伸力學(xué)特性

對(duì)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(duì)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(dāng)拉伸開(kāi)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(méi)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(jìn)行，最先出現(xiàn)頸縮的部分被拉斷，界面的連接處并沒(méi)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(shí)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所做的拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)相一致，其結(jié)果表明隨著拉伸的進(jìn)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(shí)與相同尺寸的單晶銅、鋁件進(jìn)行拉伸仿真對(duì)照，如圖5所示。單晶銅、鋁的拉伸曲線在開(kāi)始彈性變形階段近似直線上升，抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到9.53 GPa，8.4 GPa后經(jīng)過(guò)短暫的強(qiáng)化階段快速下降進(jìn)入塑性變形階段。對(duì)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(dāng)拉伸應(yīng)變?chǔ)胚_(dá)到10.67%時(shí)，應(yīng)力值達(dá)到抗拉強(qiáng)度6.89 GPa，小于單晶銅和鋁的抗拉強(qiáng)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?yàn)樗苄宰冃坞A段產(chǎn)生的位錯(cuò)在傳播過(guò)程中遇到無(wú)序晶格出現(xiàn)塞積，拉伸繼續(xù)進(jìn)行導(dǎo)致應(yīng)變?cè)龃髴?yīng)力集中增強(qiáng)，位錯(cuò)積累達(dá)到一定程度后，塞積的位錯(cuò)擴(kuò)散出來(lái)，伴隨著應(yīng)力值的再次下降；同時(shí)變形中部分非晶無(wú)序結(jié)構(gòu)的晶化也有利于塞積的擴(kuò)散。焊接頭在達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變率ε為10.67%，與在宏觀尺度下焊件拉伸實(shí)驗(yàn)(約11%)相接近[19]，但在實(shí)驗(yàn)中的最大抗拉強(qiáng)度為243 MPa，小于仿真值。這是由于實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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?yàn)榻宇^在爆炸焊接形成時(shí)導(dǎo)致的界面附近原子雜亂排序和互相滲透，阻礙了位錯(cuò)的傳播。造成了塑性變形階段的應(yīng)力強(qiáng)化作用。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)也反映在曲線的波動(dòng)上。

從拉伸曲線可見(jiàn)，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(shí)的應(yīng)變率最低。這也是由于在形成連接件時(shí)界面附近的晶格遭到破壞有利于位錯(cuò)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(duì)連接件的接頭區(qū)域進(jìn)行切削加工，如圖6所示。由于金剛石刀具硬度遠(yuǎn)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(shì)函數(shù)來(lái)計(jì)算相互作用力[23-24]。

由于在連接件成型過(guò)程造成了界面附近原子排列無(wú)序及位錯(cuò)形核，當(dāng)?shù)毒吲c工件的界面區(qū)接觸時(shí)就觸發(fā)并導(dǎo)致了部分位錯(cuò)發(fā)射出來(lái)，如圖7所示；在晶格較為完整的區(qū)域位錯(cuò)沿著與切削方向呈45°傳播出來(lái)，這與切削單晶鋁、銅時(shí)的傳播方向相同。隨著切削的繼續(xù)進(jìn)行，刀具留下U形槽，在被加工表面上銅原子與鋁原子擴(kuò)散融合效果加強(qiáng)，如圖8所示；這一效果不僅會(huì)出現(xiàn)在切削加工過(guò)程，在對(duì)焊接件進(jìn)行其他沒(méi)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(qiáng)烈擴(kuò)散加強(qiáng)，力學(xué)性能得到強(qiáng)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(shí)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(xiàn)[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(yàn)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?yàn)镃u/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(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到障礙(無(wú)序晶格及不動(dòng)位錯(cuò))就會(huì)出現(xiàn)積累，直到有足夠的力使得位錯(cuò)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(jìn)方向上銅與鋁間的晶格失配及其異種原子間的相互擴(kuò)散作用也會(huì)使得切削力增加。

3 結(jié)論

(1)爆炸焊接過(guò)程中，復(fù)板的動(dòng)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(kuò)散熔合，接頭處的結(jié)合機(jī)理與實(shí)驗(yàn)分析相符。銅板具有初始的動(dòng)能以及鋁的熔點(diǎn)低、原子間金屬鍵更容易被破壞導(dǎo)致銅原子較多擴(kuò)散到鋁原子間。

(2)對(duì)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(qiáng)度大于宏觀尺度下的實(shí)驗(yàn)值，但所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率均接近11%。 無(wú)序晶格對(duì)位錯(cuò)傳播的阻礙引起應(yīng)力強(qiáng)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(guò)程中造成的晶格破壞與原子互相滲透有利于位錯(cuò)形核，當(dāng)?shù)毒吲c連接件界面區(qū)接觸時(shí)容易直接觸發(fā)位錯(cuò)發(fā)射；位錯(cuò)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(shí)一致。連接件中的位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到障礙(無(wú)序晶格及不動(dòng)位錯(cuò))會(huì)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(kuò)散效果得到加強(qiáng)。

[1] HOKAMOTO K, IZUMA T, FUJITA M. New explosive welding technique to weld[J]. Metallurgical Transactions A. 1993, 24(10)： 2289-2297.

[2] ZHANG Y, BABU S S, PROTHE C. Application of high velocity impact welding at varied different length scales[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2011, 211: 944-952.

[3] AKBARIK MOUSAVI S A A, FARHADI SARTANGI P. Experimental investigation of explosive welding of cp-titanium/AISI 304 stainless steel[J]. Materials & Design, 2009, 30(3): 459-468.

[4] DURGUTLU A, OKUYUCU H, GULENC B. Investigation of effect of the stand-off distance on interface characteristics of explosively welded copper and stainless steel[J]. Materials & Design, 2008, 29(7): 1480-1484.

[5] BORCHERS C, LENZ M, DEUTGES M,etal. Microstructure and mechanical properties of medium-carbon steel bonded on low-carbon steel by explosive welding[J]. Materials & Design, 2016, 89(5): 369-376.

[6] ZHANG N, WANG W X, CAO X Q,etal. The effect of annealing on the interface microstructure and mechanical characteristics of AZ31B/AA6061 composite plates fabricated by explosive welding[J]. Materials & Design, 2015, 65: 1100-1109.

[7] 矯震. 線性摩擦焊過(guò)程中的原子擴(kuò)散及缺陷演化動(dòng)力學(xué)模擬[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

(JIAO Z. Dynamic simulation of atomic diffusion and evolution mechanism of defects in linear friction welding[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology, 2011.)

[8] CHU Q L, ZHANG M, LI J H,etal. Experimental and numerical investigation of microstructure and mechanical behavior of titanium/steel interfaces prepared by explosive welding[J]. Materials Science and Engineering: A, 2017, 689: 323-331.

[9] TONG Z, LIANG Y C, JIANG X Q,etal. An atomistic investigation on the mechanism of machining nanostructures when using single tip and multi-tip diamond tools[J]. Applied Surface Science, 2014,290: 458-465.

[10] KISELEV S P. Numerical simulation of wave formation in an oblique impact of plates by the method of molecular dynamics[J]. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2012, 53(6): 907-917.

[11] NIZAMETTIN K, BEHCET G, FEHIM F. Joining of titanium/stainless steel by explosive welding and effect on interface[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 169(2): 127-133.

[12] FOILES S M, BASKES M I, DAW M S, Embedded-atom method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys[J]. Phys Rev B，1986, 33: 7983-7991.

[13] DAW M S, FOILES S M, BASKES M I. The embedded-atom method: a review of theory and applications[J]. Mater Sci Rep，1993, 9: 251-310.

[14] STUKOWSKI A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the open visualization tool[J]. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2010, 18: 1-7.

[15] HONEYCUTT J D, ANDERSEN H C. Molecular dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters[J], J Phys Chem, 1987, 91: 4950-4963.

[17] 張紅安, 陳剛. 銅/鋁復(fù)合材料的固-液復(fù)合法制備及其界面結(jié)合機(jī)理[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2008, 18(3): 414-420.

(ZHANG H A, CHEN G. Fabrication of Cu/Al compound materials bysolid-liquid bonding method and interface bonding mechanism[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(3): 414-420.)

[18] 倪梁華. 銅鋁爆炸復(fù)合材料界面及性能分析[D]. 江蘇 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué), 2015.

(NI L H. Interface characterization and properties of copper-titanium composite plate produced by explosive bonding[D]. Zhenjiang，Jiangsu: Jiangsu University of Science and Technology, 2015.)

[19] GUO Y J, QIAO G J, JIAN W Z,etal. Microstructure and tensile behavior of Cu-Al multi-layered composites prepared by plasma activated sintering[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527: 5234-5240.

[20] MAEKAWA K, ITOH A. Friction and tool wear in nano-scale machining: a molecular dynamics approach[J]. Wear, 1995, 188: 115-122.

[21] CHEONG W C D, ZHANG J C. Molecular dynamics simulation of phase transformations in silicon monocrystals due to nano-indentation[J]. Nanotechnology, 2000, 11: 173-180.

[22] MULLIAH D, KENNY S D, SMITH R,etal. Molecular dynamic simulations of nanoscratching of silver (100) [J]. Nanotechnology, 2004, 15: 243-249.

[23] ZHANG J J, SUN T, YAN Y D,etal. Molecular dynamics study of scratching velocity dependency in AFM-based nanometric scratching process[J]. Materials Science and Engineering: A, 2009, 505: 65-69.

[24] PEI Q X, LU C, LEE H P. Large scale molecular dynamics study of nanometric machining of copper[J]. Computational Materials Science, 2007, 41: 177-185.

[25] LI J, FANG Q H, LIU Y W,etal. A molecular dynamics investigation into the mechanisms of subsurface damage and material removal of monocrystalline copper subjected to nanoscale high speed grinding[J]. Applied Surface Science, 2014, 303: 331-343.

[26] KOMANDURI R, CHANDRASEKARAN N, RAFF L M. Molecular dynamics simulation of atomic-scale friction[J]. Physics Review B, 2000, 61(20): 14007-14019.

[27] KOMANDURI R, CHANDRASEKARAN N, RAFF L M. MD simulation of indentation and scratching of single crystal aluminum[J]. Wear, 2000, 240(1): 113-143.

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(zé)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(wàn)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。