Cu/Al爆炸冲击界面连接及拉伸与切削性能的分子动力学模拟

张 岩， 肖万伸

(湖南大学 机械与运载工程学院，长沙 410082)

Cu/Al爆炸冲击界面连接及拉伸与切削性能的分子动力学模拟

张 岩， 肖万伸

(湖南大学 机械与运载工程学院，长沙 410082)

基于分子动力学方法，从微观角度揭示Cu/Al焊接点处的瞬时爆炸焊接过程，研究纳米焊接件接头处的力学特性及切削加工性能。结果表明：铝、铜板互相碰撞后动能转化为内能，异种原子间互相熔合渗透形成接头；焊接件拉伸时弹性模量介于单晶铝和单晶铜之间，抗拉强度为6.89 GPa，这一值大于宏观实验结果，但所对应的应变率10.67%与实验中的11%接近；在接头区域附近，位错与无序晶格的相互作用造成了塑性变形阶段的应力强化，使得拉伸应力值大于两种单晶；这一强化机制也体现在刀具切削接头区域时的平均切削力大于单晶铜、铝的平均值，与实验结果相一致；无序晶格区严重的位错形核有利于位错产生且沿与切削方向呈45°传播，传播时的塞积导致切削加工硬化效应。

爆炸焊接；分子动力学；无序晶格；位错；强化机制

金属复合材料因其具备单一金属所无法比拟的综合性能而被广泛应用，将两种或多种金属复合制造的加工工艺已得到迅速发展[1]。然而物理性能和化学成分各异的异种金属间如铝、铜、钛等往往难以运用传统焊接手段实现连接，由此爆炸焊接技术作为一种固相焊接法被广泛应用在金属复合板的加工领域。由它制备的焊件具有优异的力学性能[2-3]，国内外学者对这种特种焊接手段进行了一些深入的研究。

Durgutlu等[4]通过对不锈钢和铜实施爆炸焊接，研究了复板与基板间距离对成型界面形状的影响，结果表明在合适的范围内，板间距离越大，结合界面平整度越低，波浪状程度越高。Borchers等[5]实现了中碳钢与低碳钢间的焊接，并发现界面结合区具有非常高的硬度值，且在拉伸实验中低碳钢最先出现断裂。Zhang等[6]探究了镁铝合金AZ31B/AA6061结合界面的抗拉强度与退火温度的关系，发现当退火温度在200～250 ℃时，抗拉强度随温度升高而增强，而当温度高于250 ℃时，界面间会产生金属复合层结构，导致抗拉强度随温度的升高而降低；矫震[7]利用分子动力学模拟建立了Ni-Al焊接件的微观模型，研究了表面粗糙度对连接表面相组织的影响，结果显示较硬材料Ni表面含有凸起时，会对接头处相的组织成分及结构有较大影响；Chu等[8]使用数值模拟计算与实验对照的方法研究了铁钛焊接界面区的微观结构，并发现在冲击过程中材料较大的塑性变形会导致界面区域波浪状结构的形成。

目前对爆炸焊接的研究主要集中在通过加工工艺参数的改进来提高焊件性能，以及对材料界面相组织的观察分析。由于爆炸焊接作业的瞬时性及破坏性，导致难以通过实时观测手段从微观原子角度去揭示焊接成型原理和焊件的力学、加工性能。分子动力学(MD)方法则能够很好地克服这些困难，它可以模拟极短时间内的原子相互作用[9-10]，并提供从微观角度研究异种金属焊接机理的有效途径。

本研究利用分子动力学(MD)方法模拟异种金属Cu/Al间焊接点处的瞬时爆炸焊接过程，通过速度加载使铜板与铝板进行碰撞，研究两板纳米界面区域的原子运动；再对形成的连接件接头施加拉伸作用和切削加工，并与相同尺寸的单晶铝、铜进行对比，揭示连接件接头的力学性能及加工特性的微观机理。

1 模拟方法

Cu/Al爆炸焊接过程及其微观模型如图1所示。由于实际焊接中两板夹角的作用主要在于产生射流来对板面(氧化膜)进行清理[11]，而这里纳米尺度下铝、铜板为理想晶格表面，材料表面清洁；同时实际接触时板间的夹角较小(约5°～10°)[18]，故在分子动力学模型中将两板近似为平行。图1(b)为(a)中焊接点α的纳米晶体模型，其中Al为基板，Cu为复板，它们沿x，y，z方向的尺寸均为15 nm×8 nm×8 nm。基板包括固定层和牛顿层，固定层处的原子用来固定约束板的刚性移动，牛顿层原子的运动遵循哈密顿方程和牛顿力学定律；复板包括加载层和牛顿层，加载层的原子用来施加力或速度来设定运动。两板与z轴平行的外表面采用周期性边界条件PBC(Periodic Boundary Conditions)，用来模拟无限大表面以消除xy方向的尺度效应；z方向设置为自由边界条件。

原子间的相互作用力通过势函数来描述和计算，模型中Al-Al，Cu-Cu和Al-Cu原子间采用相应的多体EAM(embedded atom method)势函数[12-13]。EAM 势体系中的总能量Etot可以表示为：

(1)

式中：Φij表示i原子和j原子间的对势；Fi是i原子的嵌入势能；ρi是除了原子i外其他邻近原子在原子i处产生的电子云密度的线性叠加，即为：

(2)

系统采用NVE系综，初始温度设为20 ℃，时间步长1fs，求解过程采用Velocity-Verlet 速度积分算法。仿真模拟中产生的数据使用OVITO软件[14]来进行可视化和分析，缺陷原子的识别采用公共近邻分析CNA[15](common neighbor analysis)方法。

2 结果与讨论

2.1纳米尺度焊接过程模拟

模拟开始时，先对系统弛豫2000 fs，再给复板施加与z正向相反的初始速度来代替炸药爆炸产生的载荷作用，速度的大小保证在焊接窗口内，这里取值1250 m/s。碰撞后复板的动能转化为系统内能，接头处温度升高，原子呈未熔化的非晶状态。如图2(a)所示，两板接触后3×103fs时界面区域平均温度为372 ℃，在两板交界处的热量使得原子运动剧烈，晶格遭到破坏，铝、铜原子互相渗透。图2(b)显示了碰撞后20×103fs，界面区域平均温度为589 ℃，两种原子间的渗透作用得到加强，且复板的部分铜原子明显地扩散到了铝板中，这是因为一方面铜板具有初始动能，而铝的熔点低，其原子间的金属键容易被破坏，晶格破坏后非晶状体下铝原子间的空隙有利于铜原子的渗透；另一方面Cu原子半径要小于Al原子半径，更容易向Al基体中扩散。Paul等[16]通过实验表明，原子间的这种互相渗透作用会形成AlmCun基化合物，且化合物的含量与分布将明显影响接头处的硬度与力学性能。模拟结果显示在爆炸焊接过程界面区的最高温度为639 ℃，小于单晶铝的熔点660.4 ℃。

板件的碰撞时系统能量由动能转化为内能，界面附近原子运动剧烈并相互渗透，失序晶格间进行熔合后随着系统冷却与温度降低，界面区域交错的异种原子间键合稳定，形成了连接件接头。如图3所示，张红安和陈刚[17]利用扫描电镜对焊件界面区的微观组织进行了观察和分析，并发现Cu-Al两种金属的结合主要是由过渡区材料熔合和原子扩散共同作用而形成。

2.2连接件的拉伸力学特性

对冷却稳定后形成的连接件接头，设置系统初始温度20 ℃，对铜板加载层施加沿z向速率为0.015 nm/ps的拉伸载荷，约束铝板固定层位移。当拉伸开始后，铝板靠近界面的部分最先出现颈缩，而Cu/Al连接处并没有发生分离，基板和复板的焊接性能良好；随着拉伸的继续进行，最先出现颈缩的部分被拉断，界面的连接处并没有被撕裂。图4(a)，(b)分别显示了拉伸应变率为12.47%和38.54%时界面附近区域的变形情况，这一断裂情况与倪梁华使用万能试验机所做的拉伸断裂实验相一致，其结果表明随着拉伸的进行铝基体最先被撕裂，而界面处保持完整[18]。

输出连接件接头的拉伸曲线，同时与相同尺寸的单晶铜、铝件进行拉伸仿真对照，如图5所示。单晶铜、铝的拉伸曲线在开始弹性变形阶段近似直线上升，抗拉强度分别达到9.53 GPa，8.4 GPa后经过短暂的强化阶段快速下降进入塑性变形阶段。对于Cu/Al焊接头，弹性变形阶段的曲线斜率介于两种单晶之间，弹性模量为64.56 GPa；当拉伸应变ε达到10.67%时，应力值达到抗拉强度6.89 GPa，小于单晶铜和铝的抗拉强度，接着应力值下降；但在短暂的下降后曲线又有所上升，这是因为塑性变形阶段产生的位错在传播过程中遇到无序晶格出现塞积，拉伸继续进行导致应变增大应力集中增强，位错积累达到一定程度后，塞积的位错扩散出来，伴随着应力值的再次下降；同时变形中部分非晶无序结构的晶化也有利于塞积的扩散。焊接头在达到最大抗拉强度时的应变率ε为10.67%，与在宏观尺度下焊件拉伸实验(约11%)相接近[19]，但在实验中的最大抗拉强度为243 MPa，小于仿真值。这是由于实验条件下宏观焊接件中不可避免存在了气孔、杂质等微观因素，而仿真中微观环境理想，原子晶格排列整齐不存在缺陷，因此导致了二者抗拉强度的差异。

焊接接头塑性变形阶段的应力值大于两种单晶材料，这是因为接头在爆炸焊接形成时导致的界面附近原子杂乱排序和互相渗透，阻碍了位错的传播。造成了塑性变形阶段的应力强化作用。位错的运动也反映在曲线的波动上。

从拉伸曲线可见，尽管连接件的弹性模量介于两种单晶之间，但发生屈服时的应变率最低。这也是由于在形成连接件时界面附近的晶格遭到破坏有利于位错的形核产生，导致塑性变形阶段的提前。

2.3连接件的切削特性

使用金刚石刀具对连接件的接头区域进行切削加工，如图6所示。由于金刚石刀具硬度远大于被切削工件，变形量极小，因此将刀具设置为刚体[20-22]。刀具半径为2 nm，切削深度2.2 nm，C原子与工件的Al，Cu原子采用Morse势函数来计算相互作用力[23-24]。

由于在连接件成型过程造成了界面附近原子排列无序及位错形核，当刀具与工件的界面区接触时就触发并导致了部分位错发射出来，如图7所示；在晶格较为完整的区域位错沿着与切削方向呈45°传播出来，这与切削单晶铝、铜时的传播方向相同。随着切削的继续进行，刀具留下U形槽，在被加工表面上铜原子与铝原子扩散融合效果加强，如图8所示；这一效果不仅会出现在切削加工过程，在对焊接件进行其他没有热作用的情况下(如挤压、冷轧等)，均能使异种原子间接触强烈扩散加强，力学性能得到强化[18]。

输出切削相同尺寸的焊接件、单晶铜和单晶铝稳定时刀具所受的切削力-位移曲线，如图9所示。其中单晶铜的切削力平均值为106.63 nN，单晶铝的平均值为78.41 nN，其切削力仿真值范围与文献[25-27]相一致；而连接件的平均切削力为117.80 nN，仿真结果验证了连接件接头区域的切削力均大于单晶基体材料，且具有较高的硬度[18]。这是因为Cu/Al界面附近材料有序晶格在焊接后被破坏，切削触发新的位错运动时，遇到障碍(无序晶格及不动位错)就会出现积累，直到有足够的力使得位错克服阻碍继续传播，这就导致切削力增加，造成加工硬化现象；另外在刀具前进方向上铜与铝间的晶格失配及其异种原子间的相互扩散作用也会使得切削力增加。

3 结论

(1)爆炸焊接过程中，复板的动能转化为系统的内能，造成了界面附近原子晶格的破坏及异种原子间的扩散熔合，接头处的结合机理与实验分析相符。铜板具有初始的动能以及铝的熔点低、原子间金属键更容易被破坏导致铜原子较多扩散到铝原子间。

(2)对形成的Cu/Al连接件施加0.015 nm/ps的拉伸载荷，连接件的弹性模量为64.56 GPa，介于单晶铝和单晶铜之间。由于微观下理想仿真环境，接头处的抗拉强度大于宏观尺度下的实验值，但所对应的应变率均接近11%。 无序晶格对位错传播的阻碍引起应力强化，导致了接头塑性变形阶段的应力值大于两种单晶材料。

(3)连接件成型过程中造成的晶格破坏与原子互相渗透有利于位错形核，当刀具与连接件界面区接触时容易直接触发位错发射；位错在完整晶格上的传播方向与切削方向呈45°，与切削单晶铝、铜时一致。连接件中的位错在运动时遇到障碍(无序晶格及不动位错)会出现积累，导致加工硬化效应。连接件的切削力平均值117.80 nN，大于切削单晶铜的平均值106.63 nN和单晶铝的78.41 nN。切削后的被加工表面上的异种原子间扩散效果得到加强。

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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

(责任编辑：张 峥)

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通讯作者：肖万伸(1959—)，男，博士，教授，主要从事微纳米力学及材料性能研究，(E-mail)xwshndx@126.com。