基于界面缺陷的双相镁合金变形机制的研究
发布时间：2021-11-23 06:38
镁合金具有许多优异的性能,例如:密度小、比强度高、易回收。其主要用于电子产品、汽车、航空航天等领域。但镁合金在室温下的塑性变形能力较差,严重阻碍了镁合金在工业上的大规模应用,这主要源于镁合金在室温下的独立滑移系数量不足。而当非晶合金的尺寸降低到纳米尺度时,其能够呈现良好的塑性。先前的研究表明,在镁合金中引入纳米尺寸的非晶相能够有效地同时提升镁合金的强度和塑性。这主要是归因于双相镁合金在变形过程中晶体相和非晶相的协同作用机制。此外,在双相镁合金的塑性变形过程中,除了传统的位错滑移和变形孪晶外,新晶粒（即:转向晶粒）也是其塑性变形的主要模式。新晶粒的界面是由基-柱界面和（10（?）2）孪晶界共同组成。然而,基-柱界面和（10（?）2）孪晶界对双相镁合金变形机制的影响仍不清楚,而这些问题的解决对设计高性能双相镁合金具有非常重要的意义。在本文中,我们采用分子动力学模拟方法研究了在拉伸载荷下基-柱界面和（10（?）2）孪晶界面对双相镁合金变形机制和力学性能的影响,主要内容和结论如下:（1）研究了基-柱界面对双相镁合金变形机制的影响,研究结果表明双相镁合金中的晶体-非晶界面能够产生明显的Peach...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）含有基-柱界面双相镁合金的初始模型；（b）实验上制备的晶体-非晶双相镁合金样品
第三章基-柱界面对双相镁合金力学性能的影响17重要的影响。本章采用Liu等人[54]开发的嵌入原子势来描述Al-Al，Mg-Al和Mg-Mg之间的相互作用。使用Virial理论[55]计算拉伸应力，Velocity-Verlet算法被采用来计算牛顿运动方程[27,56]，时间步长为2fs。加载前，采用NPT系综对初始模型进行趋恒，使其达到平衡状态。在加载的过程中，系统的温度控制为300K，应变率为2.5×10。沿X-方向和Z-方向采用周期性边界条件，而Y-方向为自由表面。3.3结果与讨论3.3.1基-柱界面对双相镁合金变形行为的影响图3-2含有基-柱界面和不含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线。Fig.3-2.Thestress-straincurvesofthedual-phasemagnesiumalloyswithandwithoutbasal/prismaticinterface.为了研究引入基-柱界面对双相镁合金变形行为的影响，图3-2给出了在拉伸载荷下含有基-柱界面和不含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线图。这里值得注意的是，对于不同SAB的双相镁合金，它们的变形行为较为相似。因此，这里选取了SAB为10nm的模型作为代表。从图3-2中可以看到引入基-柱界面能够明显地改变双相镁合金在弹性阶段和塑性阶段的力学行为。从该图中可以观察到引入基-柱界面能够明显提高双相镁合金弹性阶段的杨氏模量，这种现象主要是由于基-柱界面两侧晶体的晶向不同。众所周知，杨氏模量与晶体的晶向有着密切的关系。而对于晶体镁，[0001]晶向的杨氏模量大于[1010]晶向的杨氏模量。因此，根据混合定律[28,57]，可以得到含有基-柱界面双相镁合金的杨氏模量大于不含有基-柱界面双相镁合金的杨氏模量。另外，从该图中可以看到含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线具有两个峰值应力，而对于不含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线仅存在一个峰值应力。为了方
第三章基-柱界面对双相镁合金力学性能的影响19双相镁合金的原子势能分布图。从该图中可以看到晶体原子中第一柱面(1010)的表面能明显高于密排面基面(0001)原子的表面能，这一研究结果与Tang等人[59]的研究结果是一致的。在加载过程中，伴随着基-柱界面迁移的进行，图3-4中密排面基面(0001)的层数不断增加而第一柱面(1010)的层数不断减少。因此，结果明显表明，在单轴拉伸加载中基-柱界面向能量更有利的方向进行迁移。当拉伸应变达到0.040时，在迁移中基-柱界面逐渐地发展演变为“梯形”界面，如图3-3（b）所示。为了进一步能够了解基-柱界面迁移过程中的细节，图3-3（b）中黑色椭圆区域被放大。从放大图中可以清楚地看到初始基-柱界面转变为锯齿状界面，其主要由两部分组成：分别为基-柱界面和(1012)孪晶面，基-柱界面和(1012)孪晶面交替出现，这一现象与先前实验上的研究是一致的（图3-3（e）和（f））。(1012)孪晶界面形成的主要原因是由于基-柱界面上的界面缺陷在运动的过程中受到阻碍，导致它们沿对角线堆积从而形成(1012)孪晶面[27]。先前的研究表明基-柱界面的能量大约为170mJ/m2，远大于(1012)孪晶界的形成能量(~122mJ/m2)[60]。因此，在基-柱界面迁移过程中，基-柱界面的运动将会导致基-柱界面弛豫转变为能量更为稳定的(1012)孪晶面，这一过程是一个导致能量降低的过程。这正是应力-应变曲线中第一个峰值应力之后拉伸应力突然下降的原因，如图3-2所示。最终，伴随着基-柱界面迁移过程的进行，基-柱界面被晶体-非晶界面逐渐全部吸收，进而晶体上下自由表面处同时变“瘦”，如图3-3（c）所示。此时，沿拉伸方向的晶向与初始样品Mg2晶体相相同，即：[1010]晶向。之后，系统进入强化阶段，对应的应力应变曲线开始上升（对应到图3-2中b?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mg的{10■2}形变孪晶机制[J]. 单智伟,刘博宇. 金属学报. 2016(10)
[2]分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J]. 张世良,戚力,高伟,冯士东,刘日平. 燕山大学学报. 2015(03)
本文编号：3513330
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）含有基-柱界面双相镁合金的初始模型；（b）实验上制备的晶体-非晶双相镁合金样品
第三章基-柱界面对双相镁合金力学性能的影响17重要的影响。本章采用Liu等人[54]开发的嵌入原子势来描述Al-Al，Mg-Al和Mg-Mg之间的相互作用。使用Virial理论[55]计算拉伸应力，Velocity-Verlet算法被采用来计算牛顿运动方程[27,56]，时间步长为2fs。加载前，采用NPT系综对初始模型进行趋恒，使其达到平衡状态。在加载的过程中，系统的温度控制为300K，应变率为2.5×10。沿X-方向和Z-方向采用周期性边界条件，而Y-方向为自由表面。3.3结果与讨论3.3.1基-柱界面对双相镁合金变形行为的影响图3-2含有基-柱界面和不含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线。Fig.3-2.Thestress-straincurvesofthedual-phasemagnesiumalloyswithandwithoutbasal/prismaticinterface.为了研究引入基-柱界面对双相镁合金变形行为的影响，图3-2给出了在拉伸载荷下含有基-柱界面和不含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线图。这里值得注意的是，对于不同SAB的双相镁合金，它们的变形行为较为相似。因此，这里选取了SAB为10nm的模型作为代表。从图3-2中可以看到引入基-柱界面能够明显地改变双相镁合金在弹性阶段和塑性阶段的力学行为。从该图中可以观察到引入基-柱界面能够明显提高双相镁合金弹性阶段的杨氏模量，这种现象主要是由于基-柱界面两侧晶体的晶向不同。众所周知，杨氏模量与晶体的晶向有着密切的关系。而对于晶体镁，[0001]晶向的杨氏模量大于[1010]晶向的杨氏模量。因此，根据混合定律[28,57]，可以得到含有基-柱界面双相镁合金的杨氏模量大于不含有基-柱界面双相镁合金的杨氏模量。另外，从该图中可以看到含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线具有两个峰值应力，而对于不含有基-柱界面双相镁合金的应力应变曲线仅存在一个峰值应力。为了方
第三章基-柱界面对双相镁合金力学性能的影响19双相镁合金的原子势能分布图。从该图中可以看到晶体原子中第一柱面(1010)的表面能明显高于密排面基面(0001)原子的表面能，这一研究结果与Tang等人[59]的研究结果是一致的。在加载过程中，伴随着基-柱界面迁移的进行，图3-4中密排面基面(0001)的层数不断增加而第一柱面(1010)的层数不断减少。因此，结果明显表明，在单轴拉伸加载中基-柱界面向能量更有利的方向进行迁移。当拉伸应变达到0.040时，在迁移中基-柱界面逐渐地发展演变为“梯形”界面，如图3-3（b）所示。为了进一步能够了解基-柱界面迁移过程中的细节，图3-3（b）中黑色椭圆区域被放大。从放大图中可以清楚地看到初始基-柱界面转变为锯齿状界面，其主要由两部分组成：分别为基-柱界面和(1012)孪晶面，基-柱界面和(1012)孪晶面交替出现，这一现象与先前实验上的研究是一致的（图3-3（e）和（f））。(1012)孪晶界面形成的主要原因是由于基-柱界面上的界面缺陷在运动的过程中受到阻碍，导致它们沿对角线堆积从而形成(1012)孪晶面[27]。先前的研究表明基-柱界面的能量大约为170mJ/m2，远大于(1012)孪晶界的形成能量(~122mJ/m2)[60]。因此，在基-柱界面迁移过程中，基-柱界面的运动将会导致基-柱界面弛豫转变为能量更为稳定的(1012)孪晶面，这一过程是一个导致能量降低的过程。这正是应力-应变曲线中第一个峰值应力之后拉伸应力突然下降的原因，如图3-2所示。最终，伴随着基-柱界面迁移过程的进行，基-柱界面被晶体-非晶界面逐渐全部吸收，进而晶体上下自由表面处同时变“瘦”，如图3-3（c）所示。此时，沿拉伸方向的晶向与初始样品Mg2晶体相相同，即：[1010]晶向。之后，系统进入强化阶段，对应的应力应变曲线开始上升（对应到图3-2中b?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mg的{10■2}形变孪晶机制[J]. 单智伟,刘博宇. 金属学报. 2016(10)
[2]分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J]. 张世良,戚力,高伟,冯士东,刘日平. 燕山大学学报. 2015(03)
本文编号：3513330
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