Mg中位错和孪晶界交互作用的分子动力学研究进展

李 一

苏州大学沙钢钢铁学院 江苏 苏州 215000

1 引言

Mg作为一种密度小，比强度高，导电性能好的金属结构材料，广泛应用于航空航天、电子器件、交通等领域，而延展性差限制了Mg的应用前景。Mg具有密排六方晶体结构，室温下易开动的独立滑移系少，故其延展性差。实验报导Mg单晶受沿c轴方向拉伸，在应变达到一定值时，晶粒内产生大量形变孪晶，并与位错交互作用，引起应变强化速度大幅增加，故位错与孪晶界之间的交互作用以及潜在的强化机制引起了学界的广泛关注。由于实验手段的限制，难以观察到原子尺度下位错与孪晶界之间交互作用过程，而分子动力学模拟能够直接观察到原子的运动过程，可作为一种有效的研究手段，因此在位错和孪晶界的研究中广泛使用。本文总结了位错和孪晶界交互作用的分子动力学模拟研究进展。

2 Mg中位错和孪晶界交互作用的分子动力学研究

利用分子动力学模拟，1995年Serra和Bacon[1]研究了{101}/{102}孪晶界与平行于孪晶界的基面1/3[110]螺位错的交互作用，阐明了不同的剪切应变和不同的位错入射位置对交互作用的影响。如图1(a)所示，Serra构建了以{101}007B/102}孪晶界为界面的双晶，然后对两种双晶各自施加3种方向同为[110]但作用面不同的剪切应变，以γxy'，γxz，γxy表示，依次对应的作用面分别为位错所在的基面(滑移面)，孪晶界和位错线方向孪晶界法向两者所在的平面，如图1(b)所示。

图1 (a)沿[110]方向，螺位错与孪晶界交互作用的几何示意图，(b)在(a)坐标系中，切应变的作用面的几何示意图，(c)，(d)，(e)，(f)相邻基面上螺位错与{102}孪晶界交互作用的示意图[1]

进一步研究表明，上述不同的切变和入射位置会影响基面螺位错与{102}孪晶界的交互作用。在γxy'和γxy作用下，两种不同入射位置的螺位错均会穿过{102}孪晶界，转变到另一晶粒内的基面上滑移，整个过程中位错线的伯氏矢量不变。但穿过{102}孪晶界上窄原子对的螺位错，会在另一晶粒内的柱面上滑移一段距离，然后再转变为基面滑移。在切应变γxz的作用下，不同入射位置的两个螺位错均无法穿过{102}孪晶界。接触到{102}孪晶界上的宽原子对的螺位错，会转变为原晶粒内的柱面位错，然后在柱面位错和基面位错之间交替转变，而接触到{102}孪晶界上的窄原子对的基面螺位错，会固定在孪晶界附近。相对于{102}孪晶界，不同切变和不同入射位置都不会对螺位错与{101}孪晶界的交互作用产生影响，螺位错在入射后均分解为两个孪晶位错，而不会产生穿过，反射或在孪晶界附近锚定的现象。实际上Serra也研究了相邻柱面上的螺位错与孪晶界交互作用，发现在三种应变的作用下，都会转变到基面上滑移。故这个原子间作用势并不能很好地描述Mg金属的位错，所以其中一些结果可能存在疑问。

Yusa课题组进一步比较两种不同原子间作用势，两种尺寸的模拟盒子对Mg中基面上伯氏矢量为1/3[110]的纯螺位错和{101}/{102}孪晶界之间交互作用的影响。模拟报导，螺位错在基面上会分解为两个不全位错，其分解模式为:1/3[110]→1/3[100]+1/3[010]。文献借位错的滑移方向区分两个不全位错，沿滑移方向在前的不全位错为leading partial，在后的不全位错为trailing partial。作者只施加了一种切应变，即应变的作用面平行于位错所在滑移面。文章发现不同的原子间作用势和不同尺寸的模拟盒子尺寸下的模拟结果均与Serra的结果相同。

该组接着又在孪晶界处掺入合金元素(Y，Sc，Nd)，研究不同合金元素和位错入射位置对Mg及Mg合金中基面螺位错和孪晶界的交互作用的影响。孪晶界内的孪生方向上，每隔一个原子替换为一个合金元素原子。文章根据孪晶界上合金原子的数目区分合金元素的含量，将{102}孪晶界中合金元素的含量分为中等和偏高，{101}孪晶界中合金元素的含量分为偏低，中等和偏高。

图2 三维孪晶和基面位错之间交互作用的示意图，其中＜a＞位错的伯氏矢量为1/3[110]，1/3[20]，1/3[20][2]

混合位错进入共格孪晶界后，分解为一个残余位错和多个孪晶位错。其余位错线碰到非共格孪晶界后，在孪晶界留下一个残余位错，其余转变为孪晶内(100)柱面上滑移的1/2＜c+a＞位错。在采用MEAM势时，因该势描述＜c+a＞位错的层错能高于EAM势，故单个混合位错未转变为孪晶内的柱面滑移的1/2＜c+a＞位错。而当两个混合位错同时与孪晶交互作用时，两个混合位错转变为孪晶内柱面滑移的＜c+a＞位错。模拟说明不同的原子间作用势对位错与孪晶界的交互作用存在影响，同时提出非共格孪晶界与位错交互作用机制。

3 总结和展望

当借助分子动力学研究不同位错与孪晶界的交互作用时，我们应注意位错与孪晶界之间的距离，避免其相互影响，还应考虑应变方向，晶界结构以及势的选择。其他位错与不同孪晶界之间的交互作用值得去研究，虽然三维孪晶和位错交互作用过程无法给出详细的位错分析，但提供了新的研究方向。

分子动力学模拟已经成为研究位错与孪晶界交互作用的重要工具。然而分子动力学仍存在不足，其中势的选择直接影响了模拟结果，需要进一步开发更准确的原子间作用势。