Mg2Ca相對鎂合金形變和失效機理的影響

楊 旗，杜際廣，蔣 剛,3

(1.四川大學原子與分子物理研究所, 成都 610065;2.四川大學物理學院， 成都 610065;3.四川大學高能量密度物理與技術重點實驗室， 成都 610065)

1 引 言

高性能結構材料中，鎂及其合金在現(xiàn)有金屬中有“最輕的工程材料”的美譽[1-2]. 但鎂等密排六方(HCP)晶體的金屬材料，結構上各向異性導致塑性成形性和延展性差、容易被腐蝕. 為了提高其成形性和耐腐蝕性，添加鋰(Li)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、鋯(Zr)和稀土(RE)等合金元素是目前最有效的方式之一[3]. 其中鈣元素是自然界含量第三的金屬元素，其價格相比稀土元素等低廉，故鎂鈣合金大量應用于汽車和航空航天等工業(yè)領域. 因此，多角度認識Mg-Ca合金的形變和失效機理是十分必要的. 這也可以幫助改進多組分的Mg-Ca-X(-X)合金. 在理想的條件下，鈣在鎂合金中的最大固溶度約為1.34 wt%[4]，Mg2Ca沉淀物是唯一的穩(wěn)定第二相[5-6]. 相較于全面研究了固溶Al原子和Mg17Al12沉淀物對合金性能影響的Mg-Al體系[7-8]， Mg-Ca體系目前只討論了固溶Ca原子的影響. 2015年，Reddy和Groh[9]模擬分析了固溶鈣原子和溫度對純鎂納米晶體屈服面上的機械行為的影響. 2018年，Nahhas和Groh研究了純鎂和二元MgX合金(X=固溶原子Ca、Gd、Li、Sn、Y、Ag、Nd和Pb)中對稱傾斜晶界結構、能量和強度[10]. 而涉及Mg2Ca沉淀的研究主要在實驗或第一性原理計算方面，揭示的是其晶格結構、電子性質和熱力學性質等[6,11-12]， 尚不清楚Mg2Ca沉淀物的機械行為和其對Mg-Ca合金形變、破壞機理的影響. 綜上所述，本文采用分子動力學方法，研究對比了Mg、Mg2Ca單晶體的機械性質和行為. 進一步分析多晶Mg/Mg2Ca復合材料模型的結構變化，揭示了Mg2Ca穩(wěn)定相對鎂合金形變和失效機理的影響.

2 模擬細節(jié)

本文分子動力學模擬使用LAMMPS軟件[13]，數(shù)據(jù)用OVITO軟件進行可視化分析[14]. 最新2NN-MEAM勢函數(shù)用來描述Mg、Ca原子間相互作用[15]. 如表1成功復現(xiàn)了Mg和Mg2Ca單晶的彈性常數(shù). Mg、Mg2Ca的實驗值(Exp)分別來自文獻[16-17]，其它計算值(Cal)來自文獻[18-19].

表1 單晶Mg、Mg2Ca彈性常數(shù)當前計算值(2NN)、實驗值(Exp)和其他計算值(Cal)

Tab.1 Elastic constants of Mg and Mg2Ca, the present (2NN) and experiment (Exp) and others (Cal)

彈性常數(shù)/GPaMg Mg2Ca2NNExpCal2NNExpCal C1162.8963.560.565.1861.259.5 C1226.2925.926.120.1417.617.8C1321.2621.722.319.2015.012.6C3369.9566.573.158.2265.566.0C4417.2218.413.421.7219.317.4C6618.3018.817.222.5221.820.9

圖1 純Mg單晶體和多晶Mg/Mg2Ca復合材料初始模型Fig.1 Initial model of Mg/Mg2Ca nanocomposite and Mg single-crystal

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3 結果與討論

3.1 單晶Mg、Mg2Ca機械性能

圖2為單軸拉伸載荷下Mg、Mg2Ca單晶體應力-應變曲線. 初始時應力隨應變直線增加，表明模型處于彈性階段. 斜率值表示楊氏模量，明顯的Mg2Ca值大即其剛度也大. 峰值應力近似為屈服應力，對應的應變?yōu)榍? Mg2Ca屈服應力大于Mg，但屈服應變小.

圖2 單軸拉伸載荷下單晶體Mg、Mg2Ca應力-應變曲線Fig.2 The stress-strain curves of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial tensile loading

圖3 單軸拉伸載荷下單晶體Mg、Mg2Ca原子構型(ε-應變)Fig.3 Atomic structure of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial tensile loading (ε-strain)

圖4 單軸剪切載荷下單晶體Mg、Mg2Ca應力-應變曲線.Fig.4 The stress-strain curves of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial shear loading.

3.2 多晶Mg/Mg2Ca復合材料機械行為

圖6為拉伸載荷下純鎂和應變0.075、0.125時多晶Mg/Mg2Ca(a)表面、(b)X-Y截面的原子構型. 從晶體表面來看，相比純鎂，復合材料易從Mg/Mg2Ca晶界處斷裂. 晶體內部，從圖6(b1)可以發(fā)現(xiàn)，裂縫產(chǎn)生于Mg基體和Mg2Ca顆粒的三重連結處，從而使區(qū)域應力降低. 在相鄰的Mg/Mg晶界裂縫尖端處應力集中，使裂縫沿晶界擴展，導致材料斷裂. 圖6(b2)可觀察到材料右下方Mg基體微形變，但對于材料失效機理影響可忽略.

圖5 單軸剪切載荷下單晶體Mg、Mg2Ca原子構型Fig.5 Atomic structure of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial shear loading

圖6 單軸拉伸載荷下多晶純鎂與Mg/ Mg2Ca復合材料原子構型, (a)為完整結構，(b)為X-Y截面結構，其中方框區(qū)域顯示原子應力分布Fig. 6 Atomic structure of pure Mg and Mg/Mg2Ca nanocomposite under uniaxial tensile loading， (a) presents whole model, (b) presents X-Y cross-sectional structure， the frame represents the atomic stress field

圖7為單軸剪切荷載作用下純鎂和應變0.150、0.400時多晶Mg/Mg2Ca(a)表面、(b)X-Y截面原子構型. 剪切過程的應力分布明顯不均. 如圖7(b1)所示，在晶體內部的Mg/Mg晶界應力高度集中，促使晶界形成基面和非基面位錯. 隨著應變增加，如圖7(b2)微小的基面位錯擴張，釋放應力形成了基面層錯. 相比純鎂多晶體，Mg2Ca顆粒的存在減少形變，阻斷了位錯等缺陷. 同時Mg/Mg2Ca晶界處易出現(xiàn)晶間裂縫. 這使得材料脆性上升. 此外，在圖7(a2)虛框1所示區(qū)域，多晶體中微小位錯經(jīng)過復雜運動易再結晶生成小晶粒.

圖7 單軸剪切載荷下多晶純鎂與Mg/ Mg2Ca復合材料原子構型(與圖 6類似)Fig.7 Atomic structure of pure Mg and Mg/Mg2Ca nanocom-posite under uniaxial tensile loading (similar to Fig.6)

4 結 論

本文采用MD方法，利用最新2NN-MEAM勢函數(shù)研究了Mg、Mg2Ca單晶的機械行為，對比揭示穩(wěn)定相Mg2Ca對多晶Mg-Ca合金機械行為的影響. 在負載形變中，Mg2Ca顆粒的幾何構型都保持不變，減少和阻斷位錯等缺陷，錨定了周圍原子. 使合金具有抗蠕變優(yōu)勢. 但同時較弱Mg/Mg2Ca界面易產(chǎn)生的晶間裂縫增強了脆性，促使材料失效. 這與金屬形變Orowan機理所揭示的第二相的作用相似. 另外，對比單晶與多晶體的結果，可以發(fā)現(xiàn)Mg塑性形變中基面位錯相比錐面位錯和柱面位錯更容易成核.