鎂中位錯(cuò)和非晶作用機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)模擬*

張博佳 安敏榮 胡騰 韓臘

(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065)

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽(yù)為21 世紀(jì)的“綠色工程材料”,具有廣闊的應(yīng)用前景.晶體-非晶雙相納米鎂材料更是表現(xiàn)了優(yōu)異力學(xué)性能,但是晶體中位錯(cuò)與非晶相的相互作用機(jī)制尚不明確.本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了剪切載荷作用下納米晶鎂中刃位錯(cuò)與非晶相的相互作用機(jī)制.研究結(jié)果表明,納米晶鎂中非晶相與位錯(cuò)的相互作用機(jī)制表現(xiàn)出一定的尺寸依賴性.相較于非晶相尺寸較小的樣品,較大的非晶相尺寸會(huì)導(dǎo)致較大的二次應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象.非晶相和位錯(cuò)的作用機(jī)制主要?dú)w結(jié)為非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用.對(duì)于非晶相尺寸較小的樣品,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用有限,釘扎時(shí)間較短,其相互作用主要是位錯(cuò)繞過非晶相的機(jī)制;而對(duì)于非晶相尺寸較大的樣品,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用較大,釘扎時(shí)間較長,其相互作用主要是非晶相引發(fā)的位錯(cuò)的交滑移機(jī)制.本文的研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)和制備高性能的鎂及其合金材料具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.

1 引言

鎂合金作為實(shí)際應(yīng)用中質(zhì)量最小的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有高比強(qiáng)度和比彈性模量、良好的阻尼減震特性、優(yōu)異的抗沖擊性等特點(diǎn),在航空航天、汽車、化工和電子等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用[1?3].尤其是航空航天飛行器對(duì)于其結(jié)構(gòu)材料更是“克克計(jì)較”,作為在飛行器結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用較為廣泛的鎂合金,人們嘗試各種方法來增強(qiáng)鎂合金的力學(xué)性能,二相粒子強(qiáng)化也被應(yīng)用來改善鎂合金的力學(xué)性能.例如,Wu 等[4]通過磁控濺射法將直徑約6 nm 的MgCu2晶粒均勻地嵌入約2 nm 厚的富含鎂的無定形殼(非晶)中,生產(chǎn)獲得具有非晶-納米晶雙相結(jié)構(gòu)的鎂基超納尺寸雙相復(fù)合材料.研究表明該雙相材料的強(qiáng)度是3.3 GPa,接近于其理論強(qiáng)度.作者所在課題組利用分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics,MD)方法研究了一系列晶體-非晶雙相鎂合金的力學(xué)性能[5?9],研究表明,通過合理的調(diào)控晶體相和非晶相的比例和厚度,可以有效地改善鎂合金的力學(xué)性能.而這些優(yōu)越的力學(xué)性能是和晶體中位錯(cuò)與非晶相的相互作用密不可分的.

第二相強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化是金屬材料重要的強(qiáng)化機(jī)制,其增強(qiáng)金屬材料的根本在于第二相粒子或溶質(zhì)原子對(duì)晶體材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙[10?13].因此,明確晶體中位錯(cuò)與溶質(zhì)原子和第二相粒子的相互作用對(duì)于研究金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制非常有必要.許多學(xué)者對(duì)位錯(cuò)與第二相展開了進(jìn)一步研究[14?20].Li 等[14]研究了剪切載荷作用下碳化硅顆粒對(duì)銅基納米復(fù)合材料中位錯(cuò)的阻礙作用引發(fā)的強(qiáng)化機(jī)制.研究表明,碳化硅粒子的增強(qiáng)機(jī)制主要是Orowan環(huán)的位錯(cuò)繞過機(jī)制.碳化硅顆粒尺寸較大,由熱激活和尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的脫釘應(yīng)力和脫釘應(yīng)變越高,碳化硅顆粒增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的強(qiáng)化效果越強(qiáng).Bryukhanov[15]研究了不同Ni 含量的Cu-Ni 固溶體合金中刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制.研究表明,在中應(yīng)力區(qū),Ni 原子阻礙了刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),因此位錯(cuò)速度隨Ni 含量的增加而降低,這是因?yàn)殚撝祽?yīng)力隨著鎳濃度的增加而增加.在高應(yīng)力區(qū),鎳原子則具有相反的效果,位錯(cuò)速度隨鎳含量的增加而增加.Cepeda-Jimenez 等[16]研究了鎂合金中基體位錯(cuò)與析出相的相互作用,研究表明高溫時(shí)二相粒子硬化的原因主要是析出相被基面位錯(cuò)剪切;高溫時(shí)位錯(cuò)與析出相的作用機(jī)制則依賴于加載模式:在拉伸載荷下,基面滑移局部化增強(qiáng)導(dǎo)致了粗滑移痕跡與二相粒子界面處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致析出物斷裂;在壓縮載荷下,基底滑移分布更加均勻,二相粒子剪切占主導(dǎo)地位.Alizadeh 和LLorca[17]研究了Mg-Zn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)合金中位錯(cuò)與析出相的相互作用,研究表明,變形初期主要是Orowan模型,也就是位錯(cuò)在析出物周圍的彎曲;隨后的變形主要是析出相的剪切占主導(dǎo)地位,棒狀析出物轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙铑w粒,從而導(dǎo)致滑移帶的形成.Huang 等[18]研究Mg-Nd 合金中析出物時(shí)發(fā)現(xiàn),在合金中的約束區(qū)域基體中的位錯(cuò)會(huì)塞積在析出相的周圍.只有當(dāng)位錯(cuò)塞積強(qiáng)度足夠大時(shí),位錯(cuò)才會(huì)以β1析出相的形式滑移出去.Esteban-Manzanares 等[19]采用MD模擬方法研究了鎂合金中基面位錯(cuò)與MgZn2析出相的相互作用.他們的研究結(jié)果指出,位錯(cuò)最初是通過形成穿透析出相的Orowan 環(huán)來克服沉淀物的.在幾個(gè)Orowan 環(huán)堆積之后,析出相被剪切.隨著析出物橫截面的減小和溫度的升高,剪切析出相所需的Orowan 環(huán)數(shù)減少,并且與析出相間距無關(guān).析出物剪切并沒有沿著明確的晶體學(xué)平面發(fā)生,而是由析出物中的彈性能累積觸發(fā)的.綜上所述,位錯(cuò)與第二相的作用機(jī)制主要集中在位錯(cuò)在二相粒子周圍形成的Orowan 環(huán)、二相粒子被位錯(cuò)剪切和位錯(cuò)在二相粒子周圍的塞積機(jī)制等.近年來,高性能晶體-非晶雙相納米合金材料的成功制備,引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注.然而,雙相合金在變形過程中,位錯(cuò)與非晶相之間的相互作用機(jī)制是否和上述機(jī)制一致,尚不清楚,急需進(jìn)一步揭示.

在過去幾十年的研究中,人們一直嘗試?yán)脤?shí)驗(yàn)的手段觀察和研究位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),以及位錯(cuò)和晶體中缺陷的相互作用,并取得了豐碩的成果[21?23].然而,受到現(xiàn)代電子和光學(xué)顯微等技術(shù)的限制,人們往往很難從實(shí)驗(yàn)上直接觀測到變形過程中材料微觀結(jié)構(gòu)演化的細(xì)節(jié)與規(guī)律.而近年來MD 模擬方法的發(fā)展則為這些問題的研究開辟了一條新途徑,該方法可以從微觀角度上重現(xiàn)位錯(cuò)與晶體中缺陷的相互作用.MD 模擬方法以經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)為基礎(chǔ),利用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解分子體系經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程的方法得到體系的相軌跡,并統(tǒng)計(jì)體系的結(jié)構(gòu)特征與性質(zhì),已成為連接實(shí)驗(yàn)和理論的橋梁,在生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[24?27].鑒于此,本文主要采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,研究鎂晶體中刃位錯(cuò)和非晶相的相互作用機(jī)制.研究表明,非晶相的引入增加了納米晶鎂的剪切強(qiáng)度.納米晶鎂中的位錯(cuò)和非晶相的相互作用機(jī)制受到非晶相尺寸的極大影響.本文的研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)高性能的鎂合金和推動(dòng)其應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用.

2 模擬方法和模擬過程

本文在鎂合金中引入刃位錯(cuò)及柱狀非晶相,并利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)位錯(cuò)與非晶相作用機(jī)制進(jìn)行研究.首先構(gòu)建16.5 nm× 31.3 nm× 14.8 nm的納米單晶鎂模型,其三維方向分別是隨后,通過在Z方向中點(diǎn)位置的{0001}面上去掉半原子面的方式引入刃位錯(cuò),其中層錯(cuò) 的寬度為2.8 nm.最后,在距 離該位錯(cuò)14 nm 的位置引入非晶相柱體,如圖1 所示.其中,非晶柱體選用Mg20Al80非晶合金.非晶相柱體的制作過程包含以下步驟:1)構(gòu)建包含6400 個(gè)鎂原子和 25600 個(gè)鋁原子Mg20Al80晶體模型,并將該模型在1200 K 下加熱60 ps,形成液態(tài)非晶;2)隨后以2 × 108K/s 的冷卻速率迅速將液體驟冷至50 K;3)在50 K 的溫度弛豫60 ps 以消除系統(tǒng)熱波動(dòng),最終制備出非晶相.這一過程中在X,Y,Z方向上均施加周期性邊界條件.通過對(duì)其徑向分布函數(shù)(radial distribution functions,RDFs)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),RDF 第二峰出現(xiàn)分裂,這表明其結(jié)構(gòu)為短程有序,是典型的非晶體形態(tài)[28].在研究過程中改變非晶柱體的直徑分別為1.6,2.0,4.0 和6.0 nm.

圖1 剪切變形過程中位錯(cuò)與非晶柱體相互作用示意圖Fig.1.Schematic of interaction between dislocation and amorphous nanopillar under shear deformation.

構(gòu)建好上述模型后,在NPT 系綜下弛豫40 ps以消除界面效應(yīng),使其達(dá)到平衡狀態(tài).剪切過程中下三層原子保持固定,與此同時(shí)向上三層原子施加剪切應(yīng)變,只計(jì)算中間部分牛頓原子的受力,從而實(shí)現(xiàn)在{0001}面上的滑移.在此過程中,沿X,Y方向施加周期性邊界條件,沿Z方向施加自由邊界條件.模擬過程中應(yīng)用NVT 系綜,時(shí)間步長設(shè)為2 fs.為了消除原子的熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng),模擬溫度選取10 K,并使用Nose-Hoover 恒溫器[28]控制溫度.在分子動(dòng)力學(xué)模擬中勢函數(shù)的準(zhǔn)確與否,將直接影響計(jì)算結(jié)果的精確度.本文采用 Liu 等[29]開發(fā)的嵌入原子勢來描述 Al-Al,Mg-Al 和 Mg-Mg之間的相互作用.選取的應(yīng)變率為5×108s–1.本文使用LAMMPS [30]軟件進(jìn)行模擬并通過OVITO[31]對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化和分析.利用公共近鄰分析法(common neighbor analysis,CNA)[32]分析晶體中晶體結(jié)構(gòu)和缺陷類型,采用位錯(cuò)提取法(dislocation extraction algorithm,DXA)[33]識(shí)別位錯(cuò)的類型.在使用CNA 分析晶體結(jié)構(gòu)時(shí),用綠色代表FCC結(jié)構(gòu)原子,紅色代表HCP 結(jié)構(gòu)原子,白色代表無序結(jié)構(gòu)原子.

3 結(jié)果與討論

為了更進(jìn)一步探討雙相鎂合金中位錯(cuò)與非晶相互作用時(shí)位錯(cuò)機(jī)制轉(zhuǎn)變的臨界尺寸,在2.0—4.0 nm范圍內(nèi),又計(jì)算了非晶相尺寸分別為2.8,3.0,3.3,3.6 nm 的模型來確定位錯(cuò)從繞過機(jī)制轉(zhuǎn)換為交滑移機(jī)制的臨界尺寸.研究表明,在2.8 nm,3.0 nm(圖9)及3.3 nm(圖10)的模型中位錯(cuò)與非晶相的作用機(jī)制為繞過機(jī)制,而在3.6 nm 的模型中,位錯(cuò)與非晶相的作用機(jī)制為非晶相引發(fā)的擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移機(jī)制(圖11).因此推斷,位錯(cuò)與非晶相之間的作用機(jī)制從繞過機(jī)制轉(zhuǎn)換為交滑移機(jī)制的臨界尺寸在3.3—3.6 nm 之間.

圖2 含有不同非晶相尺寸和不含非晶相的納米晶鎂的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2.Shear stress-strain curves of the nanocrystalline Mg with different amorphous nanopillar sizes and without amorphous nanopillar.

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圖3 不含非晶相的樣品在不同剪切應(yīng)變下的變化過程 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時(shí)YZ 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時(shí)XY 面視圖Fig.3.The evolution process of the sample without amorphous nanopillar at different shear strains:(a)–(f) View of YZ plane;(a1)–(f1) view of XY plane.

為了說明圖5(f1)中類螺位錯(cuò)的形成機(jī)制,圖6給出了其具體形貌和形成過程.實(shí)際上,刃位錯(cuò)的交滑移是不可能發(fā)生的.在剪切力作用下,初始的擴(kuò)展位錯(cuò)(刃位錯(cuò))沿著基面滑移,當(dāng)遇到非晶相時(shí),擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻,其前位錯(cuò)和后位錯(cuò)兩個(gè)偏位錯(cuò)束集成一個(gè)全位錯(cuò)—該位錯(cuò)是一個(gè)全螺位錯(cuò).隨后,該螺位錯(cuò)發(fā)生如下分解反應(yīng):

圖4 非晶相尺寸為1.6 nm 的樣品在不同剪切應(yīng)變下的變化過程 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時(shí)YZ 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時(shí)XY 面視圖Fig.4.The evolution process of the sample with amorphous nanopillar size of 1.6 nm at different shear strains:(a)–(f) View of YZ plane;(a1)–(f1) view of XY plane.

圖5 給出了非晶相尺寸為4.0 nm 的樣品在不同剪切應(yīng)變時(shí)的變化過程(為了方便觀測,圖中去掉了密排六方結(jié)構(gòu)原子).從圖5 可以看出,在剪切載荷加載的伊始,含有非晶相的納米晶鎂經(jīng)歷了彈性變形,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.30%時(shí),刃位錯(cuò)開始向前滑移.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.81%時(shí),非晶相對(duì)刃位錯(cuò)呈現(xiàn)出一定吸引作用,如圖5(a)所示,這對(duì)應(yīng)了應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值.隨著應(yīng)變不斷繼續(xù),非晶相不斷吸引刃位錯(cuò)向前運(yùn)動(dòng),前位錯(cuò)和后位錯(cuò)先后到達(dá)非晶相界面,而應(yīng)力應(yīng)變曲線則達(dá)到波谷,如圖5(b),(c)所示.在剪切載荷作用下,刃位錯(cuò)被非晶相釘扎住,前位錯(cuò)和后位錯(cuò)以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2.94%時(shí),前后位錯(cuò)都已離開非晶相,但在非晶相表面仍殘留部分位錯(cuò)的拖尾,如圖5(d)所示.當(dāng)刃位錯(cuò)穿過非晶相后,非晶相被刃位錯(cuò)切斷,且被刃位錯(cuò)切斷的上半部分和下半部分產(chǎn)生了一定的位移偏差,非晶相產(chǎn)生一定的扭折.而上述位錯(cuò)的拖尾在剪切作用下逐漸長大,并和先前弓出的前后位錯(cuò)匯合形成了類螺位錯(cuò)[14],如圖5(e),(f)所示.

為了研究非晶相尺寸較小時(shí)位錯(cuò)與其作用機(jī)制,圖4 選取了非晶相尺寸為1.6 nm 的樣品在不同剪切應(yīng)變時(shí)的變化過程作為代表(為了方便觀測,圖中去掉了密排六方結(jié)構(gòu)原子).在剪切載荷加載的伊始,含有非晶相的納米晶鎂經(jīng)歷了彈性變形,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.2%附近時(shí),刃位錯(cuò)開始向前滑移.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.81%時(shí),應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到應(yīng)力峰值,非晶相對(duì)刃位錯(cuò)表現(xiàn)出顯著的吸引力,如圖4(a)所示.隨著應(yīng)變不斷增大,非晶相不斷吸引刃位錯(cuò)向前運(yùn)動(dòng).當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.06%時(shí),前位錯(cuò)到達(dá)非晶相界面,而應(yīng)力應(yīng)變曲線則達(dá)到波谷.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.17%時(shí),后位錯(cuò)也到達(dá)非晶相界面,而前位錯(cuò)則開始以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出,如圖4(c),(d)所示.在此過程中,非晶相將刃位錯(cuò)釘扎住.當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.73%時(shí),前位錯(cuò)已離開非晶相,弓出的Orowan 位錯(cuò)環(huán)也恢復(fù)成前位錯(cuò),而后位錯(cuò)也是以位錯(cuò)環(huán)的形式不斷弓出.這與文獻(xiàn)[19,34?36]的結(jié)論是一致的.當(dāng)應(yīng)變增大到2.05%時(shí),后位錯(cuò)也開始離開非晶相表面,此時(shí)圖2 所示應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)力也開始跌落,如圖4(d),(e)所示.這就意味著,正是由于非晶相對(duì)刃位錯(cuò)的釘扎作用引發(fā)了圖2 中應(yīng)力應(yīng)變曲線中的應(yīng)力不斷上升.隨著應(yīng)變增大至2.11%,后位錯(cuò)已完全離開非晶相,弓出的Orowan 環(huán)也恢復(fù)成后位錯(cuò),如圖4(e),(f)所示.

圖2 表明在應(yīng)變?yōu)?.2%附近,含有非晶相的納米晶鎂出現(xiàn)了應(yīng)力波谷,其后隨著應(yīng)變的增大,應(yīng)力也逐漸增大,即出現(xiàn)了二次強(qiáng)化現(xiàn)象.但是對(duì)于非晶相尺寸較小的樣品,應(yīng)力增大的幅度較小(1.6 nm 樣品在0.1 GPa 附近,2.0 nm 樣品在0.08 GPa 附近),但是對(duì)于非晶相尺寸較大樣品,應(yīng)力增加的幅度較大(4.0 nm 樣品在0.2 GPa 附近,6.0 nm 樣品在0.23 GPa 附近).為了解釋這種現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)了不同非晶相尺寸的樣品中,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎時(shí)間,即從前位錯(cuò)開始接觸非晶界面到后位錯(cuò)離開非晶相的時(shí)間,如圖7 所示.從圖7 中看出,隨著非晶相尺寸的增大,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎時(shí)間也在逐漸延長.當(dāng)非晶相尺寸為1.6 nm 時(shí),其對(duì)位錯(cuò)的釘扎時(shí)間為18 ps,而當(dāng)非晶相尺寸增大到6.0 nm 時(shí),其對(duì)位錯(cuò)的釘扎時(shí)間高達(dá)48 ps.當(dāng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)被非晶相所阻礙,其周圍的能量開始升高,這就表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變曲線中的應(yīng)力上升現(xiàn)象.對(duì)于非晶相尺寸較小的樣品,位錯(cuò)遇到非晶相后,前位錯(cuò)首先弓出后后位錯(cuò)弓出.前位錯(cuò)離開非晶相恢復(fù)成初始的不全位錯(cuò),隨后后位錯(cuò)也離開非晶相恢復(fù)成初始的不全位錯(cuò).該過程可以稱為位錯(cuò)繞過非晶相的機(jī)制,如圖8(a)所示.此過程中,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用有限,所以其釘扎時(shí)間也較短,就導(dǎo)致了圖2中應(yīng)力上升的幅度較小.對(duì)于非晶相尺寸較大的樣品,位錯(cuò)遇到非晶相后開始束集成一個(gè)螺位錯(cuò)并發(fā)生了位錯(cuò)的交滑移.前后位錯(cuò)滑移出初始的滑移面后,通過位錯(cuò)沿著錐面交滑移到新的(0001)面上.隨后不同的位錯(cuò)在各自的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng).該過程可以稱為非晶相引發(fā)的擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移機(jī)制[14],如圖8(b)所示.此過程中,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用較大,所以其釘扎時(shí)間也較長,就導(dǎo)致了圖2 中應(yīng)力上升的幅度較大.此外,圖2 也表明在應(yīng)變?yōu)?.02 時(shí),2.0 nm 直徑的非晶相的位錯(cuò)剪切應(yīng)力比1.6 nm的小.這是由于當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.02 附近時(shí),對(duì)于1.6 nm的模型,第二位錯(cuò)正在與非晶相相互作用,非晶相被破壞,位錯(cuò)被釘扎在非晶相周圍,非晶相對(duì)位錯(cuò)的拖拽作用較大.而對(duì)于2.0 nm 的模型,此時(shí)位錯(cuò)已克服非晶相的阻礙作用并以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出,此時(shí)位錯(cuò)已經(jīng)不再被非晶相釘扎.因此為了克服非晶相則需要更大的力來對(duì)抗非晶相對(duì)位錯(cuò)的阻礙,故在此應(yīng)變附近,1.6 nm 的剪切應(yīng)力稍高于2.0 nm.

即在基面上全位錯(cuò)可分解成兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò),其中兩肖克萊不全位錯(cuò)的柏氏矢量同全位錯(cuò)的柏氏矢量之間呈±30°角.隨著這兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)離開,非晶相表面又生成了全位錯(cuò)—該位錯(cuò)沿著錐面滑移,交滑移到新的(0001)上后又發(fā)生(1)式中的位錯(cuò)分解,即分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)和層錯(cuò),層錯(cuò)寬度分別為2.5 nm和 2.6 nm,這兩個(gè)不全位錯(cuò)形成的擴(kuò)展位錯(cuò)在(0001)面上繼續(xù)滑移.這也意味著初始擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度和交滑移后層錯(cuò)寬度是類似的.圖6(b)展示了位錯(cuò)提取算法分析出的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)圖,圖6(c)展示了擴(kuò)展位錯(cuò)在初始和交滑移后{0001}面上的擴(kuò)展位錯(cuò)細(xì)節(jié)示意圖,以及位錯(cuò)的細(xì)節(jié)圖.由圖6(c)可知,初始由和形成的擴(kuò)展位錯(cuò)在遇到非晶相障礙物后,通過束集成位錯(cuò)后沿著錐面交滑移到新的(0001)面上,隨后又分解成新的擴(kuò)展位錯(cuò),從而實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)和非晶相的相互作用.上述交滑移過程和Li 等[14]的研究結(jié)果類似.

圖6 圖5(f1)中類螺位錯(cuò)的細(xì)節(jié)圖 (a)圖5(f1)中類螺位錯(cuò)的具體形貌圖,d 代表層錯(cuò)寬度;(b) DXA 分析出的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)圖;(c)擴(kuò)展位錯(cuò)交滑移的細(xì)節(jié)圖Fig.6.The details of the like-screw dislocation shown in Fig.5(f1):(a) The specific morphologies of like-screw dislocation;(b) dislocation structure analyzed by DXA method;(c) the cross-slip details of the extended dislocation.

小學(xué)科學(xué)強(qiáng)調(diào)以探究性教學(xué)為核心，要想保證教學(xué)的效果，就必須要為學(xué)生提供探究的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)生在探究過程中體會(huì)學(xué)習(xí)的樂趣，培養(yǎng)思考能力和動(dòng)手能力，從而更好的應(yīng)用科學(xué)知識(shí)來解決生活中遇到的各種問題。例如，在對(duì)“保護(hù)環(huán)境”一課進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師即使長篇大論的說明環(huán)境污染的嚴(yán)重性，并以數(shù)據(jù)來證實(shí)保護(hù)環(huán)境的迫切性，但對(duì)身處農(nóng)村和西部農(nóng)業(yè)區(qū)域的學(xué)生而言，不會(huì)有任何的感觸；對(duì)東部發(fā)達(dá)城市和沿海沿江城市的學(xué)生而言，缺水問題同樣是一個(gè)難以理解的問題。因此，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生自主分組，然后利用計(jì)算機(jī)訪問相應(yīng)的環(huán)保網(wǎng)站，對(duì)資料進(jìn)行收集和對(duì)比，使其切身感受到環(huán)境保護(hù)的迫切性。

為了研究非晶相尺寸對(duì)于納米晶鎂中非晶相與位錯(cuò)的相互作用機(jī)制的影響,圖3 給出了不含有非晶相時(shí)納米晶鎂中刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)(為了方便觀測,圖中去掉了密排六方結(jié)構(gòu)原子).從圖3 可以看出,在剪切載荷加載的伊始,納米晶鎂經(jīng)歷了彈性變形,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.17%時(shí),位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng),這就意味著該刃位錯(cuò)從此刻開始開啟,其開啟的剪切應(yīng)力為0.024 GPa.隨后,在剪切載荷的作用下,擴(kuò)展位錯(cuò)在納米晶鎂中不斷運(yùn)動(dòng),如圖3(b)—(f)所示.而晶格的周期性則引發(fā)了應(yīng)力的周期性小幅度漲落,如圖2 所示.

圖7 不同非晶相尺寸的樣品中,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎時(shí)間Fig.7.The variation of pinning time versus amorphous nanopillar size.

圖8 位錯(cuò)與非晶相的作用機(jī)制 (a)非晶相尺寸較小時(shí)的位錯(cuò)繞過機(jī)制;(b)非晶相尺寸較大時(shí)的擴(kuò)展位錯(cuò)交滑移機(jī)制Fig.8.The interaction mechanism of the dislocation and the amorphous phase:(a) The dislocation bypass mechanism for the sample with small amorphous nanopillar size;(b) the cross-slip mechanism of extended dislocation for the sample with larger amorphous nanopillar size.

圖2 所示為含有不同非晶相尺寸和不含非晶相的納米晶鎂的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖2 可以看出,對(duì)于含有和不含非晶相的納米晶鎂,應(yīng)力都隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)線性增加的趨勢.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.17%附近時(shí),應(yīng)力呈波動(dòng)狀的緩慢增大直至首個(gè)應(yīng)力峰值,而這是由于派納力引發(fā)的.當(dāng)鎂合金中的位錯(cuò)在其基體中移動(dòng)時(shí),會(huì)由一個(gè)對(duì)稱位置移動(dòng)到另一個(gè)對(duì)稱位置.在這些位置上,位錯(cuò)處在平衡狀態(tài),能量較低.而在對(duì)稱位置之間移動(dòng)時(shí),能量會(huì)增高,造成位錯(cuò)移動(dòng)的阻力.因此,在此過程中會(huì)有力的周期波動(dòng).對(duì)于不含有非晶相的納米晶鎂而言,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.9%時(shí)應(yīng)力達(dá)到了首次峰值,隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大,應(yīng)力在0.05 GPa 附近周期性的波動(dòng).當(dāng)非晶相尺寸較小時(shí),例如1.6 nm和2.0 nm 的樣品,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.9%時(shí)應(yīng)力到達(dá)峰值,隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大,應(yīng)力開始逐漸跌落,而后應(yīng)力開始增大至峰值(1.6 nm 樣品在0.1 GPa附近,2.0 nm 樣品在0.08 GPa 附近),呈現(xiàn)出一定的二次強(qiáng)化現(xiàn)象.當(dāng)應(yīng)變大于2%時(shí),應(yīng)力又開始跌落.隨著剪切加載繼續(xù),應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)不斷的漲落.當(dāng)非晶相尺寸較大時(shí),例如4.0 nm 和6.0 nm的樣品,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.9%時(shí)應(yīng)力到達(dá)峰值,隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大,應(yīng)力出現(xiàn)短暫的下落.隨后應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加直至較大的峰值應(yīng)力(4.0 nm 樣品在0.2 GPa 附近,6.0 nm 樣品在0.23 GPa 附近)后呈現(xiàn)應(yīng)力跌落.這與非晶相尺寸較小的樣品不同,較大的非晶相尺寸的樣品應(yīng)力表現(xiàn)出更大的二次強(qiáng)化現(xiàn)象.此外,相較于不含非晶相的樣品,非晶相的引入引發(fā)了應(yīng)力的二次強(qiáng)化現(xiàn)象,并且納米晶鎂中非晶相與位錯(cuò)的相互作用表現(xiàn)出一定的尺寸依賴性.為了解釋剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)的這種有趣的現(xiàn)象,下文將從尺寸效應(yīng)的角度闡明納米晶鎂中非晶相與位錯(cuò)的相互作用機(jī)制.

蒸汽低溫烹飪對(duì)烤雞翅水分的影響如圖1所示。結(jié)果顯示，真空低溫組(SV 70+Roast、SV 70+Roast和SV 70+Roast)烹飪的雞翅水分含量較高，但差異性不顯著(p>0.05)。蒸汽低溫烹飪可以減少蒸煮損失，保留食物的原味和色澤，食物口感嫩滑[5，6]。與水分分析結(jié)果一致，經(jīng)過真空低溫烹飪的雞翅的總體得分顯著高于直接燒烤組。

排除標(biāo)準(zhǔn):需排除合并糖尿病酮癥酸中毒患者；排除合并精神疾病的患者；排除合并其他心腦血管病變患者；排除相關(guān)藥物過敏史患者[3]。

圖9 非晶相尺寸為3.0 nm 的樣品與位錯(cuò)的相互作用的過程 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時(shí)XY 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時(shí)YZ 面視圖Fig.9.The evolution process of the sample with amorphous nanopillar size of 3.0 nm at different shear strains:(a)–(f) View of XY plane;(a1)–(f1) view of YZ plane.

圖10 非晶相尺寸為3.3 nm 的樣品與位錯(cuò)的相互作用 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時(shí)XY 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時(shí)YZ 面視圖Fig.10.The evolution process of the sample with amorphous nanopillar size of 3.3 nm at different shear strains:(a)–(f) View of XY plane;(a1)–(f1) view of YZ plane.

總結(jié)而言,非晶相和位錯(cuò)的作用機(jī)制主要?dú)w結(jié)為非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用.對(duì)于非晶相尺寸較小的樣品,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用有限,釘扎時(shí)間較短,其相互作用主要是位錯(cuò)繞過非晶相的機(jī)制;而對(duì)于非晶相尺寸較大的樣品,非晶相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用較大,釘扎時(shí)間較長,其相互作用主要是非晶相引發(fā)的擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移機(jī)制.此外,位錯(cuò)從繞過機(jī)制轉(zhuǎn)換為交滑移機(jī)制的臨界尺寸介于3.3—3.6 nm 間.

4 結(jié)論

本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了剪切作用下不同非晶相尺寸與位錯(cuò)的相互作用機(jī)制.研究表明,非晶相的引入增加了納米晶鎂的剪切強(qiáng)度,并且不同非晶相尺寸與位錯(cuò)作用的機(jī)制不同.當(dāng)非晶相尺寸較小時(shí)(1.6,2.0,2.8,3.0,3.3 nm),位錯(cuò)被非晶相所阻礙以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出并離開非晶相表面,最終恢復(fù)成刃位錯(cuò);當(dāng)非晶相尺寸較大時(shí)(3.6,4.0 和6.0 nm),位錯(cuò)遇到非晶相后開始束集成一個(gè)螺位錯(cuò)并發(fā)生了位錯(cuò)的交滑移.前后位錯(cuò)滑移出初始的滑移面后,通過1/3[110]位錯(cuò)沿著{101}錐面交滑移到新的(0001)面上并在各自的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng).非晶相與位錯(cuò)相互作用機(jī)制的轉(zhuǎn)變臨界尺寸在3.3—3.6 nm 間.此外,相較于較小的非晶相尺寸,非晶相尺寸較大的樣品表現(xiàn)出更大的二次強(qiáng)化現(xiàn)象,這主要?dú)w因于尺寸較大的非晶相對(duì)于位錯(cuò)的釘扎時(shí)間更長.本文的研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)高性能的鎂合金和推動(dòng)其應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用.