李 一

蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院 江蘇 蘇州 215000

1 引言

Mg作為一種密度小，比強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能好的金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子器件、交通等領(lǐng)域，而延展性差限制了Mg的應(yīng)用前景。Mg具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下易開(kāi)動(dòng)的獨(dú)立滑移系少，故其延展性差。實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)Mg單晶受沿c軸方向拉伸，在應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量形變孿晶，并與位錯(cuò)交互作用，引起應(yīng)變強(qiáng)化速度大幅增加，故位錯(cuò)與孿晶界之間的交互作用以及潛在的強(qiáng)化機(jī)制引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，難以觀察到原子尺度下位錯(cuò)與孿晶界之間交互作用過(guò)程，而分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠直接觀察到原子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可作為一種有效的研究手段，因此在位錯(cuò)和孿晶界的研究中廣泛使用。本文總結(jié)了位錯(cuò)和孿晶界交互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究進(jìn)展。

2 Mg中位錯(cuò)和孿晶界交互作用的分子動(dòng)力學(xué)研究

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，1995年Serra和Bacon[1]研究了{(lán)101}/{102}孿晶界與平行于孿晶界的基面1/3[110]螺位錯(cuò)的交互作用，闡明了不同的剪切應(yīng)變和不同的位錯(cuò)入射位置對(duì)交互作用的影響。如圖1(a)所示，Serra構(gòu)建了以{101}007B/102}孿晶界為界面的雙晶，然后對(duì)兩種雙晶各自施加3種方向同為[110]但作用面不同的剪切應(yīng)變，以γxy'，γxz，γxy表示，依次對(duì)應(yīng)的作用面分別為位錯(cuò)所在的基面(滑移面)，孿晶界和位錯(cuò)線方向?qū)\晶界法向兩者所在的平面，如圖1(b)所示。

圖1 (a)沿[110]方向，螺位錯(cuò)與孿晶界交互作用的幾何示意圖，(b)在(a)坐標(biāo)系中，切應(yīng)變的作用面的幾何示意圖，(c)，(d)，(e)，(f)相鄰基面上螺位錯(cuò)與{102}孿晶界交互作用的示意圖[1]

進(jìn)一步研究表明，上述不同的切變和入射位置會(huì)影響基面螺位錯(cuò)與{102}孿晶界的交互作用。在γxy'和γxy作用下，兩種不同入射位置的螺位錯(cuò)均會(huì)穿過(guò){102}孿晶界，轉(zhuǎn)變到另一晶粒內(nèi)的基面上滑移，整個(gè)過(guò)程中位錯(cuò)線的伯氏矢量不變。但穿過(guò){102}孿晶界上窄原子對(duì)的螺位錯(cuò)，會(huì)在另一晶粒內(nèi)的柱面上滑移一段距離，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榛婊?。在切?yīng)變?chǔ)脁z的作用下，不同入射位置的兩個(gè)螺位錯(cuò)均無(wú)法穿過(guò){102}孿晶界。接觸到{102}孿晶界上的寬原子對(duì)的螺位錯(cuò)，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵Я?nèi)的柱面位錯(cuò)，然后在柱面位錯(cuò)和基面位錯(cuò)之間交替轉(zhuǎn)變，而接觸到{102}孿晶界上的窄原子對(duì)的基面螺位錯(cuò)，會(huì)固定在孿晶界附近。相對(duì)于{102}孿晶界，不同切變和不同入射位置都不會(huì)對(duì)螺位錯(cuò)與{101}孿晶界的交互作用產(chǎn)生影響，螺位錯(cuò)在入射后均分解為兩個(gè)孿晶位錯(cuò)，而不會(huì)產(chǎn)生穿過(guò)，反射或在孿晶界附近錨定的現(xiàn)象。實(shí)際上Serra也研究了相鄰柱面上的螺位錯(cuò)與孿晶界交互作用，發(fā)現(xiàn)在三種應(yīng)變的作用下，都會(huì)轉(zhuǎn)變到基面上滑移。故這個(gè)原子間作用勢(shì)并不能很好地描述Mg金屬的位錯(cuò)，所以其中一些結(jié)果可能存在疑問(wèn)。

Yusa課題組進(jìn)一步比較兩種不同原子間作用勢(shì)，兩種尺寸的模擬盒子對(duì)Mg中基面上伯氏矢量為1/3[110]的純螺位錯(cuò)和{101}/{102}孿晶界之間交互作用的影響。模擬報(bào)導(dǎo)，螺位錯(cuò)在基面上會(huì)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，其分解模式為:1/3[110]→1/3[100]+1/3[010]。文獻(xiàn)借位錯(cuò)的滑移方向區(qū)分兩個(gè)不全位錯(cuò)，沿滑移方向在前的不全位錯(cuò)為leading partial，在后的不全位錯(cuò)為trailing partial。作者只施加了一種切應(yīng)變，即應(yīng)變的作用面平行于位錯(cuò)所在滑移面。文章發(fā)現(xiàn)不同的原子間作用勢(shì)和不同尺寸的模擬盒子尺寸下的模擬結(jié)果均與Serra的結(jié)果相同。

該組接著又在孿晶界處摻入合金元素(Y，Sc，Nd)，研究不同合金元素和位錯(cuò)入射位置對(duì)Mg及Mg合金中基面螺位錯(cuò)和孿晶界的交互作用的影響。孿晶界內(nèi)的孿生方向上，每隔一個(gè)原子替換為一個(gè)合金元素原子。文章根據(jù)孿晶界上合金原子的數(shù)目區(qū)分合金元素的含量，將{102}孿晶界中合金元素的含量分為中等和偏高，{101}孿晶界中合金元素的含量分為偏低，中等和偏高。

圖2 三維孿晶和基面位錯(cuò)之間交互作用的示意圖，其中＜a＞位錯(cuò)的伯氏矢量為1/3[110]，1/3[20]，1/3[20][2]

混合位錯(cuò)進(jìn)入共格孿晶界后，分解為一個(gè)殘余位錯(cuò)和多個(gè)孿晶位錯(cuò)。其余位錯(cuò)線碰到非共格孿晶界后，在孿晶界留下一個(gè)殘余位錯(cuò)，其余轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶內(nèi)(100)柱面上滑移的1/2＜c+a＞位錯(cuò)。在采用MEAM勢(shì)時(shí)，因該勢(shì)描述＜c+a＞位錯(cuò)的層錯(cuò)能高于EAM勢(shì)，故單個(gè)混合位錯(cuò)未轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶內(nèi)的柱面滑移的1/2＜c+a＞位錯(cuò)。而當(dāng)兩個(gè)混合位錯(cuò)同時(shí)與孿晶交互作用時(shí)，兩個(gè)混合位錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶內(nèi)柱面滑移的＜c+a＞位錯(cuò)。模擬說(shuō)明不同的原子間作用勢(shì)對(duì)位錯(cuò)與孿晶界的交互作用存在影響，同時(shí)提出非共格孿晶界與位錯(cuò)交互作用機(jī)制。

3 總結(jié)和展望

當(dāng)借助分子動(dòng)力學(xué)研究不同位錯(cuò)與孿晶界的交互作用時(shí)，我們應(yīng)注意位錯(cuò)與孿晶界之間的距離，避免其相互影響，還應(yīng)考慮應(yīng)變方向，晶界結(jié)構(gòu)以及勢(shì)的選擇。其他位錯(cuò)與不同孿晶界之間的交互作用值得去研究，雖然三維孿晶和位錯(cuò)交互作用過(guò)程無(wú)法給出詳細(xì)的位錯(cuò)分析，但提供了新的研究方向。

分子動(dòng)力學(xué)模擬已經(jīng)成為研究位錯(cuò)與孿晶界交互作用的重要工具。然而分子動(dòng)力學(xué)仍存在不足，其中勢(shì)的選擇直接影響了模擬結(jié)果，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確的原子間作用勢(shì)。