Effects of grain size and zirconium concentration on mechanical properties of nanocrystalline copper grain boundary doping

纳米晶材料 粒度 材料科学 晶界 晶界强化 兴奋剂 冶金 晶粒生长 晶界扩散系数 复合材料 纳米技术 微观结构 光电子学
作者
Cheng-Da Wu,Hung-Yuan Chen,Meng-Hao Kuo
出处
期刊:Molecular Simulation [Informa]
卷期号:: 1-11
标识
DOI:10.1080/08927022.2024.2387876
摘要

Alloying nanocrystalline Cu (nc–Cu) with immiscible elements (i.e. Zr) is a promising approach for reducing microstructural instability and inhibiting grain growth. Understanding the relationship between the grain size, Zr concentration, deformation, and mechanical properties of the nc–Cu–Zr system is essential for practical applications. Molecular dynamics simulations based on the many-body embedded-atom potential were used for the related analysis from an atomistic point of view. The grain size of nc–Cu was varied from 3 to 9 nm and the Zr concentration was varied from 0% to 7%. The simulation results show that doping Zr atoms into an nc–Cu system enhances tensile strength and ductility, but weakens compressive and shear strengths. Doping 1% Zr into nc–Cu greatly increases both ultimate tensile strength and ultimate tensile strain; the increase is insignificant for higher Zr concentrations (2% to 7%). For a given Zr concentration, the relationship between ultimate tensile strength and grain size is unclear. Grain boundary sliding dominates the elastic deformation mechanism of the nc–Cu–Zr system under tensile, compressive, and shear tests. Tensile fracture occurs faster for an nc–Cu–Zr system with a larger grain size.
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