第15卷 第4期
摘要：目的 以单晶铜为研究对象，探究 5×109 s –1 高应变率下温度对单晶铜的应力及微观变形的影响，为设计、制备高性能单晶铜导线提供理论依据。方法 运用分子动力学模拟技术，构建尺寸为 10.8 nm×10.8 nm×10.8 nm 的单晶铜模型，在应变率为 5×109 s –1，温度为 100~1 100 K 范围内对单晶铜进行 x、y、z 三轴拉伸，模拟其应力应变、位错密度、晶体结构转变规律，对晶体的有序性和孔洞体 积分数的微观结构变化进行研究。结果 随着温度的升高，单晶铜的屈服强度降低，在温度为 1 100 K 时单晶铜的屈服强度比 100 K 时降低了约 55%，与屈服强度相对应的应变数值会提前约 5%。得到了 100~1 100 K 温度范围内应力−应变曲线，该曲线包括 3 个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段和应力下降阶段。对应力变化的原因进行分析，当应力达到屈服点后，单晶铜内部出现孔洞形核，孔洞快速长大并合并；在变形的同时，晶格结构发生转变，在 1 100 K 温度时 FCC 结构全部转变为 Other 结构；利用径向分布函数对晶格有序性进行分析，发现在高应变下会产生非晶结构。结论 随着温度的升高，单晶铜的屈服强度降低，屈服强度的下降主要是位错密度增大、孔洞形核、快速长大和合并以及晶格转变共同作用的结果。
图1 铜的面心立方结构及单晶铜三轴拉伸示意图
图4 300、700、1 100 K 温度下孔洞形核、长大、合并过程
图5 100~1 100 K 温度下应变与孔洞体积分数的关系
图9 100~1 100 K 温度下应变与位错密度的关系
图10 100~1 100 K 温度下径向分布函数
图11 100~1 100 K 温度下势能与应变的关系
总结：
基于分子动力学模拟建立了单晶铜模型，在高应变率（5×109 s–1）、不同温度下对单晶铜进行三轴拉伸，对应力应变、孔洞体积分数演化、结构转变及晶体有序性进行了研究，得到以下主要结论。
1）温度对单晶铜性能影响很大，随着温度从 100 K 升高到 1 100 K，屈服强度下降；同一温度下，应变加载会使单晶铜发生弹塑性应力应变行为，表明在单晶铜电缆使用过程中，温度和形变是产生位错和晶体结构转变的主要原因。
2）晶体内部结构变化复杂，在屈服点后发生塑性变形会引起位错密度、晶体结构和晶体类型的转变。随着温度的升高，FCC 结构优先向 Other 结构转化，尤其在 1 100 K 温度下，FCC 结构完全转化为 Other 结构。
3）在拉伸过程中，孔洞产生了形核、长大和合并 3 个阶段，孔洞、位错的产生和湮灭，以及晶格结构转变是塑性变形阶段中应力快速下降的主要原因。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.016
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
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