Modeling the Effects of Varying the Ti Concentration on the Mechanical Properties of Cu–Ti Alloys

材料科学 微晶 极限抗拉强度 晶界 密度泛函理论 分子动力学 合金 变形(气象学) Atom(片上系统) 复合材料 冶金 计算化学 微观结构 化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Vasileios Fotopoulos,Corey S. O’Hern,Mark D. Shattuck,Alexander L. Shluger
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:9 (9): 10286-10298 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsomega.3c07561
摘要

The mechanical properties of CuTi alloys have been characterized extensively through experimental studies. However, a detailed understanding of why the strength of Cu increases after a small fraction of Ti atoms are added to the alloy is still missing. In this work, we address this question using density functional theory (DFT) and molecular dynamics (MD) simulations with the modified embedded atom method (MEAM) interatomic potentials. First, we performed calculations of the uniaxial tension deformations of small bicrystalline Cu cells using DFT static simulations. We then carried out uniaxial tension deformations on much larger bicrystalline and polycrystalline Cu cells by using MEAM MD simulations. In bicrystalline Cu, the inclusion of Ti increases the grain boundary separation energy and the maximum tensile stress. The DFT calculations demonstrate that the increase in the tensile stress can be attributed to an increase in the local charge density arising from Ti. MEAM simulations in larger bicrystalline systems have shown that increasing the Ti concentration decreases the density of the stacking faults. This observation is enhanced in polycrystalline Cu, where the addition of Ti atoms, even at concentrations as low as 1.5 atomic (at.) %, increases the yield strength and elastic modulus of the material compared to pure Cu. Under uniaxial tensile loading, the addition of small amounts of Ti hinders the formation of partial Shockley dislocations in the grain boundaries of Cu, leading to a reduced level of local deformation. These results shed light on the role of Ti in determining the mechanical properties of polycrystalline Cu and enable the engineering of grain boundaries and the inclusion of Ti to improve degradation resistance.
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