Mg中位錯和孿晶界交互作用的分子動力學研究進展

李 一

蘇州大學沙鋼鋼鐵學院 江蘇 蘇州 215000

1 引言

Mg作為一種密度小，比強度高，導電性能好的金屬結構材料，廣泛應用于航空航天、電子器件、交通等領域，而延展性差限制了Mg的應用前景。Mg具有密排六方晶體結構，室溫下易開動的獨立滑移系少，故其延展性差。實驗報導Mg單晶受沿c軸方向拉伸，在應變達到一定值時，晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量形變孿晶，并與位錯交互作用，引起應變強化速度大幅增加，故位錯與孿晶界之間的交互作用以及潛在的強化機制引起了學界的廣泛關注。由于實驗手段的限制，難以觀察到原子尺度下位錯與孿晶界之間交互作用過程，而分子動力學模擬能夠直接觀察到原子的運動過程，可作為一種有效的研究手段，因此在位錯和孿晶界的研究中廣泛使用。本文總結了位錯和孿晶界交互作用的分子動力學模擬研究進展。

2 Mg中位錯和孿晶界交互作用的分子動力學研究

利用分子動力學模擬，1995年Serra和Bacon[1]研究了{101}/{102}孿晶界與平行于孿晶界的基面1/3[110]螺位錯的交互作用，闡明了不同的剪切應變和不同的位錯入射位置對交互作用的影響。如圖1(a)所示，Serra構建了以{101}007B/102}孿晶界為界面的雙晶，然后對兩種雙晶各自施加3種方向同為[110]但作用面不同的剪切應變，以γxy'，γxz，γxy表示，依次對應的作用面分別為位錯所在的基面(滑移面)，孿晶界和位錯線方向?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，螺位錯與孿晶界交互作用的幾何示意圖，(b)在(a)坐標系中，切應變的作用面的幾何示意圖，(c)，(d)，(e)，(f)相鄰基面上螺位錯與{102}孿晶界交互作用的示意圖[1]

進一步研究表明，上述不同的切變和入射位置會影響基面螺位錯與{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均會穿過{102}孿晶界，轉變到另一晶粒內(nèi)的基面上滑移，整個過程中位錯線的伯氏矢量不變。但穿過{102}孿晶界上窄原子對的螺位錯，會在另一晶粒內(nèi)的柱面上滑移一段距離，然后再轉變?yōu)榛婊啤Ｔ谇袘儲脁z的作用下，不同入射位置的兩個螺位錯均無法穿過{102}孿晶界。接觸到{102}孿晶界上的寬原子對的螺位錯，會轉變?yōu)樵Я?nèi)的柱面位錯，然后在柱面位錯和基面位錯之間交替轉變，而接觸到{102}孿晶界上的窄原子對的基面螺位錯，會固定在孿晶界附近。相對于{102}孿晶界，不同切變和不同入射位置都不會對螺位錯與{101}孿晶界的交互作用產(chǎn)生影響，螺位錯在入射后均分解為兩個孿晶位錯，而不會產(chǎn)生穿過，反射或在孿晶界附近錨定的現(xiàn)象。實際上Serra也研究了相鄰柱面上的螺位錯與孿晶界交互作用，發(fā)現(xiàn)在三種應變的作用下，都會轉變到基面上滑移。故這個原子間作用勢并不能很好地描述Mg金屬的位錯，所以其中一些結果可能存在疑問。

Yusa課題組進一步比較兩種不同原子間作用勢，兩種尺寸的模擬盒子對Mg中基面上伯氏矢量為1/3[110]的純螺位錯和{101}/{102}孿晶界之間交互作用的影響。模擬報導，螺位錯在基面上會分解為兩個不全位錯，其分解模式為:1/3[110]→1/3[100]+1/3[010]。文獻借位錯的滑移方向區(qū)分兩個不全位錯，沿滑移方向在前的不全位錯為leading partial，在后的不全位錯為trailing partial。作者只施加了一種切應變，即應變的作用面平行于位錯所在滑移面。文章發(fā)現(xiàn)不同的原子間作用勢和不同尺寸的模擬盒子尺寸下的模擬結果均與Serra的結果相同。

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入射位置對Mg及Mg合金中基面螺位錯和孿晶界的交互作用的影響。孿晶界內(nèi)的孿生方向上，每隔一個原子替換為一個合金元素原子。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之間交互作用的示意圖，其中＜a＞位錯的伯氏矢量為1/3[110]，1/3[20]，1/3[20][2]

混合位錯進入共格孿晶界后，分解為一個殘余位錯和多個孿晶位錯。其余位錯線碰到非共格孿晶界后，在孿晶界留下一個殘余位錯，其余轉變?yōu)閷\晶內(nèi)(100)柱面上滑移的1/2＜c+a＞位錯。在采用MEAM勢時，因該勢描述＜c+a＞位錯的層錯能高于EAM勢，故單個混合位錯未轉變?yōu)閷\晶內(nèi)的柱面滑移的1/2＜c+a＞位錯。而當兩個混合位錯同時與孿晶交互作用時，兩個混合位錯轉變?yōu)閷\晶內(nèi)柱面滑移的＜c+a＞位錯。模擬說明不同的原子間作用勢對位錯與孿晶界的交互作用存在影響，同時提出非共格孿晶界與位錯交互作用機制。

3 總結和展望

當借助分子動力學研究不同位錯與孿晶界的交互作用時，我們應注意位錯與孿晶界之間的距離，避免其相互影響，還應考慮應變方向，晶界結構以及勢的選擇。其他位錯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交互作用過程無法給出詳細的位錯分析，但提供了新的研究方向。

分子動力學模擬已經(jīng)成為研究位錯與孿晶界交互作用的重要工具。然而分子動力學仍存在不足，其中勢的選擇直接影響了模擬結果，需要進一步開發(fā)更準確的原子間作用勢。