孔洞對3D打印AlSi10Mg合金拉伸性能影響的分子動力學模擬

陳傳波 馬芳 羅一平

摘要：采用分子動力學方法模擬含孔洞的3D打印AlSi10Mg合金單軸拉伸過程，研究孔洞對晶體力學行為影響。結(jié)果表明：隨著孔洞尺寸的增加，材料的彈性模量、屈服強度、峰值應變都相應下降?？锥磾?shù)量的增加，加劇了拉伸斷裂進程。本研究主要從原子尺度分析孔洞對多元合金力學性能影響，為今后實驗和研究孔洞對3D打印提供理論指導。

關(guān)鍵詞： AlSi10Mg合金; 單軸拉伸; 孔洞; 分子動力學模擬

【Abstract】 The uniaxial stretching process of 3D printed AlSi10Mg alloy with voids is simulated by molecular dynamics method， and the influence of pores on the mechanical behavior of the crystal is studied. The results show that the elastic modulus， yield strength and peak strain of the material decrease with the increase of the pore size. The increase in the number of holes exacerbates the tensile fracture process. This study mainly analyzes the influence of pores on the mechanical properties of multi-alloys at the atomic scale， and provides theoretical guidance for future experiments and research on holes for 3D printing.

【Key words】 ?AlSi10Mg alloy; uniaxial tension; holes; molecular dynamics simulation

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，對環(huán)境、能源和交通安全等方面產(chǎn)生了很大影響。汽車輕量化作為現(xiàn)在研究的熱門課題，吸引了大批科研人員從事輕量化材料研究，而鋁合金[1]是輕質(zhì)材料的代表，具有較高的強度和硬度。而3D打印技術(shù)是可以根據(jù)不同設(shè)計需求，層層堆垛的新型成形制造技術(shù)。AlSi10Mg作為3D打印的一種十分普遍的材料，被眾多學者廣泛研究。柯宇等人[2]對選區(qū)激光熔化的AlSi10Mg合金進行了微觀組織分析和力學性能研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過時效處理后，硬度有所降低。李保強等人[3]對AlSi10Mg合金進行了有限元模擬，得出熔池搭接區(qū)域殘余應力高，中間偏低。萬華亮等人[4]對3D打印AlSi10Mg合金的孔洞進行了分析，預估了孔隙率對增材制造疲勞壽命影響。

目前，對AlSi10Mg合金的研究大多是物理實驗及微觀尺度的熱應力模擬，對原子層面的拉伸力學性能的研究卻不是很多，且基本集中在單質(zhì)金屬元素的拉伸模擬。劉明輝等人[5]研究了鋁合金刃型位錯與合金元素的相互作用，從原子層面解釋了位錯釘扎對鋁合金的強化作用。張寧等人[6]研究球形孔洞對雙晶銅單向拉伸的影響，得出孔洞顯著降低了雙晶體的彈性模量和屈服應力。梁華等人[7]研究了孔洞和空位對鋁單晶力學性能的影響，得出不同晶向的拉伸，孔洞的生長變形微觀機制不同。闡明了形變機制主要是位錯的移動、堆積和發(fā)射。

本文主要對含孔洞AlSi10Mg合金進行拉伸模擬，分析孔洞大小對其力學性能的影響，為3D打印AlSi10Mg合金缺陷引起的破壞機理提供依據(jù)。

1 計算模型與方法

1.1 模型建立

3D打印AlSi10Mg合金主要過程是通過高能激光熔化AlSi10Mg金屬粉末，冷卻凝固得到相應制品，但由于物理實驗限制，必然會產(chǎn)生孔洞。使用分子動力學方法，模擬其制備過程：首先，建立晶格常數(shù)為a0=b0=c0=4.045 27 ，α=β=γ=90°的面心立方（fcc）的Al單晶;然后，通過Si和Mg以質(zhì)量分數(shù)為0.10及0.05替換Al原子，生成AlSi10Mg合金，并使用共軛梯度法進行能量最小化弛豫;最后，建立晶胞大小為15a0×15a0×15a0的拉伸模型，AlSi10Mg合金體系即如圖1所示。笛卡爾坐標系x， y， z軸分別對應晶體的[100]、[010]、[001]晶向。模擬過程中，體系采用了周期性邊界。

1.2 工況設(shè)計

由于體系屬于納米尺度的下拉伸模型，使得應變率比實驗中高出幾個數(shù)量級[8]。本文采用的應變率為2×109/s。工況一：孔洞尺寸分別為1a0， 3a0和5a0。工況二：孔洞個數(shù)有1，2，4個，尺寸為2a0，孔洞沿z軸方向，位置分布為中心對稱。

從圖2可以得出，在不同孔洞尺寸和不同孔洞個數(shù)情況下，AlSi10Mg合金的拉伸應力-應變曲線的變化趨勢都大致相似，可以將其分為3個階段。

第一階段是彈性階段，動態(tài)拉伸的應力-應變曲線呈線性關(guān)系;第二階段是屈服階段，應力-應變同曲線呈非線性關(guān)系，產(chǎn)生塑性變形;第三階段是斷裂階段，應力隨著應變增加而減小，直至發(fā)生斷裂。AlSi10Mg合金力學性能參數(shù)見表1。

從圖2及表1可以看出，隨著孔洞大小從1a0升高到5a0，AlSi10Mg彈性模量從37.29 GPa減小到20.39 GPa，抗拉強度從4.71 GPa降低到1.34 GPa，峰值應變從0.27減少到0.07;孔洞個數(shù)從1個增加到4個，彈性模量從31.10 GPa減小到28.40 GPa，抗拉強度從3.04 GPa降低到2.41 GPa，峰值應變從0.14減少到0.11。

2.2 原子結(jié)構(gòu)演化

為了進一步研究孔洞對拉伸性能的影響，從原子組織演變角度來進行探究，采用OVITO軟件對AlSi10Mg合金體系進行PTM分析。圖3和圖4分別是含有1個孔洞和2個孔洞動態(tài)拉伸圖，孔洞尺寸皆為2a0，應變率為2×109/s。其中，灰白色、藍色、綠色和紅色分別代表other（無序）、bcc（體心立方）、fcc（面心立方）、hcp（密排六方）、ico（二十面體協(xié)調(diào)）和sc（簡單立方）原子結(jié)構(gòu)。

從圖2的動態(tài)拉伸應力-應變曲線可知，當單孔AlSi10Mg合金體系應變?yōu)?.6%、12.5%及40.0%時，分別處于拉伸過程中的彈性形變階段、屈服形變階段和斷裂形變階段。從圖3可以觀察到，單孔AlSi10Mg合金在彈性應變階段，fcc結(jié)構(gòu)占主體;從彈性形變到屈服形變階段，原子結(jié)構(gòu)從fcc向hcp轉(zhuǎn)變;隨著應變的增加，孔洞逐漸增大，周圍無序原子增多，hcp和sc結(jié)構(gòu)原子占大多數(shù)，直到拉伸斷裂。

圖4相較于圖3，孔洞增加了1個，在彈性變形階段，hcp結(jié)構(gòu)和fcc結(jié)構(gòu)占比接近;隨著應變的增加，fcc結(jié)構(gòu)逐漸減少，hcp結(jié)構(gòu)和sc結(jié)構(gòu)不斷增加。孔洞周圍的無序原子增多，且2個孔洞增長基本一致。

3 結(jié)束語

本文運用分子動力學模擬了含孔洞的AlSi10Mg合金體系的單軸動態(tài)拉伸過程，對合金拉伸形變過程進行了研究。結(jié)果表明：

（1）隨著孔洞大小從1a0升高到5a0，AlSi10Mg彈性模量從37.29 GPa減小到20.39 GPa，抗拉強度從4.71 GPa降低到1.34 GPa，峰值應變從0.27減少到0.07;孔洞個數(shù)從1個增加到4個，彈性模量從31.10 GPa減小到28.40 GPa，抗拉強度從3.04 GPa降低到2.41 GPa，峰值應變從0.14減少到0.11。

（2） 隨著拉伸應變的增加，fcc結(jié)構(gòu)逐漸減少，hcp和sc結(jié)構(gòu)明顯增多，孔洞周圍的無序原子伴隨著孔洞的增長而增多。

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