·472 工程科学学报，第40卷，第4期 E= N 6,+ ∑F,p) (1) 温度：I500K 2 ij=l 应变率：-0.003ps P:= (2) 式中：第一项和第二项分别代表类型为t:和t原子 之间的对势和与电子密度相关的嵌入原子能.这里 N表示系统中的原子总数，r:是原子i和j之间的距 离，t:表示化学物质（本文是Fe,Ni或Cr),p:为原 子i的局部电子密度. 0.100.15 0.200.250.30 2结果与讨论 应变 压缩过程的应力应变曲线如图2所示.从图2 中可以看出：在压缩初期应力在0附近波动，这是由 于在该阶段Fe和Fer93Cr4sNis的接触还不是很紧 密：接下来应力随着应变的增加线性增长；在应变为 0.16时，应力达到了最大值4.05GPa;之后应力开 (ae=0.081 b6=0.162 (c)e=0.195 (de=0.300 始迅速下降；最后，压应力的值振荡，并逐渐减小，直 图21500K应力应变曲线，曲线上点a~d分别对应应变0.081 到应变达到0.3.因此，可以认为，在压缩应变达到 (a)、0.162(b).0.195(c)和0.3(d) 0.16以前，不锈钢和碳钢处于弹性压缩阶段，在压 Fig.2 Stress-strain curve at 1500K,wherein points a correspond 缩应变达到0.16时，材料己经屈服.从图2中可以 to the strain0.081(a),0.162(b),0.195(c),and0.3(d),re- 看出：该模型中双金属复合的屈服强度远大于宏观 spectively 测量值，而在A/Si复合板P1、Cu/Al复合板-、 CrasNizs原子数分数，获得了不同温度下的扩散层厚 AlCrFeCuNi高熵合金B等的拉伸以及Ni,AIB)等 度（图3）.图3中a~d的复合温度分别是1400、 材料的压缩的分子动力学模拟中也出现了屈服强度 1500、1600和1700K,对应的扩散层厚度分别为 远大于宏观测量值的情况，这是由于本文采用的 0.7、0.84、0.95和1.5nm.结果表明：提高复合温度 Fe1gCr4sNis与Fe模型均为理想晶体结构，没有杂 将获得较厚的扩散层.陈少航0分别在1200、1250 质、空位等缺陷，因此也造成压缩过程中没有加工硬 和1300℃下对不锈钢/碳钢复合板进行轧制，实验 化阶段，并导致应力曲线在材料屈服之后迅速下降. 结果显示，界面厚度随温度的升高而增大.本文模 在该模型中，当应变小于0.081时，在界面处几 拟仿真得到的结果和这个试验结果的趋势相符.发 乎没有发生原子扩散：之后，Fer CrasNizs和Fe中的 生这种现象的主要原因是因为随着温度的升高，原 原子开始逐渐扩散到对方区域；当应变达到0.195 子的能量增大，原子更为活跃，更有利于原子在界面 之后，界面附近的晶体结构发生破坏，开始呈现无定 处的扩散，从而使得扩散层厚度增加.此外，当温度 形结构；压缩结束后，在Fe-FeCr4sNis界面区域观 为1400、1500和1600K时，扩散层厚度在0.7~ 察到明显的原子扩散.根据文献28]，规定Fe- 0.95nm左右：而当温度为1700K时，扩散层厚度变 Fe1 aCrasNizs的原子数分数均超过5%的区域为扩散 为1.5nm,相比前三种温度下扩散厚度增加了约一 层.通过统计获得Fe与Fe1gCr4sNix沿着压缩方向 倍，这是因为温度达到0.6~0.8T时(Tm为材料的 (Z方向)的原子数分数分布，以此确定模拟结果中 熔点，两种材料的熔点约为1800K左右)，原子才能 扩散层的厚度. 越过界面扩散至另一边.而1700K己经接近两种材 2.1温度对结合性能的影响 料的熔点，故原子热运动非常剧烈，导致扩散显著 为探索不同温度对热压复合的影响，本文在应 增强。 变率为-0.003ps-1的情况下，对温度分别为1400、 2.2应变率对结合性能的影响 1500、1600和1700K的四种情况进行了模拟，其他 为探索不同应变率对热压复合的影响，本文在 模拟条件保持与1.2节的条件一致 温度为1500K下，对应变率分别为-0.001、 本文通过分析不同温度下Z方向的Fe与Fe19s -0.0015、-0.003和-0.006ps的四种情况进行工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 E = 1 2 ∑ N i，j = 1 j≠i Vti tj ( rij) + ∑ N i = 1 Fti ( ρi ) ( 1) ρi = ∑ N j = 1 j≠i tj ( rij) ( 2) 式中: 第一项和第二项分别代表类型为 ti 和 tj 原子 之间的对势和与电子密度相关的嵌入原子能． 这里 N 表示系统中的原子总数，rij是原子 i 和 j 之间的距 离，ti 表示化学物质( 本文是 Fe，Ni 或 Cr) ，ρi 为原 子 i 的局部电子密度． 2 结果与讨论 压缩过程的应力应变曲线如图 2 所示． 从图 2 中可以看出: 在压缩初期应力在 0 附近波动，这是由 于在该阶段 Fe 和 Fe193 Cr45 Ni25 的接触还不是很紧 密; 接下来应力随着应变的增加线性增长; 在应变为 0. 16 时，应力达到了最大值 4. 05 GPa; 之后应力开 始迅速下降; 最后，压应力的值振荡，并逐渐减小，直 到应变达到 0. 3． 因此，可以认为，在压缩应变达到 0. 16 以前，不锈钢和碳钢处于弹性压缩阶段，在压 缩应变达到 0. 16 时，材料已经屈服． 从图 2 中可以 看出: 该模型中双金属复合的屈服强度远大于宏观 测量值，而在 Al / Si 复合板［21］、Cu /Al 复合板［27--28］、 AlCrFeCuNi 高熵合金［36］等的拉伸以及 Ni3 Al［37］等 材料的压缩的分子动力学模拟中也出现了屈服强度 远大于宏观测量值的情况，这是由于本文采用的 Fe193Cr45Ni25与 Fe 模型均为理想晶体结构，没有杂 质、空位等缺陷，因此也造成压缩过程中没有加工硬 化阶段，并导致应力曲线在材料屈服之后迅速下降． 在该模型中，当应变小于 0. 081 时，在界面处几 乎没有发生原子扩散; 之后，Fe193Cr45Ni25和 Fe 中的 原子开始逐渐扩散到对方区域; 当应变达到 0. 195 之后，界面附近的晶体结构发生破坏，开始呈现无定 形结构; 压缩结束后，在 Fe--Fe193Cr45Ni25界面区域观 察到明显的原子扩散． 根据文献［28］，规定 Fe-- Fe193Cr45Ni25的原子数分数均超过 5% 的区域为扩散 层． 通过统计获得 Fe 与 Fe193Cr45Ni25沿着压缩方向 ( Z 方向) 的原子数分数分布，以此确定模拟结果中 扩散层的厚度． 2. 1 温度对结合性能的影响 为探索不同温度对热压复合的影响，本文在应 变率为 － 0. 003 ps － 1的情况下，对温度分别为 1400、 1500、1600 和 1700 K 的四种情况进行了模拟，其他 模拟条件保持与 1. 2 节的条件一致． 本文通过分析不同温度下 Z 方向的 Fe 与 Fe193 图 2 1500 K 应力应变曲线，曲线上点 a ～ d 分别对应应变 0. 081 ( a) 、0. 162( b) 、0. 195( c) 和 0. 3( d) Fig． 2 Stress--strain curve at 1500 K，wherein points a--d correspond to the strain 0. 081 ( a) ，0. 162 ( b) ，0. 195 ( c) ，and 0. 3 ( d) ，re￾spectively Cr45Ni25原子数分数，获得了不同温度下的扩散层厚 度( 图 3) ． 图 3 中 a ～ d 的复合温度分别是 1400、 1500、1600 和 1700 K，对应的扩散层厚度分别为 0. 7、0. 84、0. 95 和 1. 5 nm． 结果表明: 提高复合温度 将获得较厚的扩散层． 陈少航［1］分别在 1200、1250 和 1300 ℃下对不锈钢/碳钢复合板进行轧制，实验 结果显示，界面厚度随温度的升高而增大． 本文模 拟仿真得到的结果和这个试验结果的趋势相符． 发 生这种现象的主要原因是因为随着温度的升高，原 子的能量增大，原子更为活跃，更有利于原子在界面 处的扩散，从而使得扩散层厚度增加． 此外，当温度 为 1400、1500 和 1600 K 时，扩散层厚度在 0. 7 ～ 0. 95 nm 左右; 而当温度为 1700 K 时，扩散层厚度变 为 1. 5 nm，相比前三种温度下扩散厚度增加了约一 倍，这是因为温度达到 0. 6 ～ 0. 8Tm时( Tm为材料的 熔点，两种材料的熔点约为 1800 K 左右) ，原子才能 越过界面扩散至另一边． 而 1700 K 已经接近两种材 料的熔点，故原子热运动非常剧烈，导致扩散显著 增强． 2. 2 应变率对结合性能的影响 为探索不同应变率对热压复合的影响，本文在 温 度 为 1500 K 下，对应变率分别为 － 0. 001、 － 0. 0015、－ 0. 003 和 － 0. 006 ps － 1的四种情况进行 · 274 ·