密排六方金属塑性变形机制的分子动力学研究

摘要

随着制造加工工艺的进步及科学技术的发展，纳米机械器件应用越来越广泛，其力学行为表现出不同于宏观力学的性能和规律。通常，材料的微观组织结构及变形机制主导其力学性能及行为。因此，迫切需求从微观领域了解材料变形的内在机理。目前，尚没有成熟的理论框架来描述纳米尺度下材料的力学行为。由于材料制备及实验技术等限制，仅通过实验手段也并不能彻底地认识材料的微观组织结构及内在机制。分子动力学模拟作为理论研究与实验观察的桥梁，是纳米尺度力学研究中的重要工具。可追踪有关原子的运动轨迹，反映微结构的演化过程，并揭示材料形变的内在机理。本文通过分子动力学模拟研究密排六方金属在塑性阶段的微结构演化过程，重点分析讨论各类缺陷在材料塑性变形中的形核生长机制与行为。全文主要工作及成果总结如下:
　　(1)结合广义层错能理论计算及分子动力学压缩模拟研究讨论了密排六方金属镁中锥面位错的分解机理。首先，通过计算{10(1)1}面及相邻交替面{30(3)2}及{30(3)4}的广义层错能，得到了{10(1)1}<11(2)3>锥面位错径直滑移路径的能量以及可能的位错分解路径。同时，通过对[(1)2(1)0]方向为周期边界的二维镁单晶模型的c轴压缩模拟，得到了{10(1)1}<11(2)3>锥面位错的动态分解路径。与理论分析路径对比，结果相符。此外，{11(2)2}面的广义层错能计算结果显示，径直的方向是全位错滑移的最小能量路径，没有其他能量更低的分解路径。然而，在[(1)010]方向为周期边界的二维镁单晶模型c轴压缩模拟中观察到了两种{11(2)2}面锥面位错形式。其中一种形式与广义层错能结果基本相符，另一种是由两个相邻{11(2)2}面上的部分位错共同作用实现。从广义层错能曲面分析可知，实现部分位错所需能量比全位错路径中的不稳定堆垛能要低。
　　(2)通过对密排六方金属镁单晶纳米柱不同取向拉伸和压缩的分子动力学模拟，总结出不同的初始塑性变形机制，主要包括柱面滑移、基面滑移、锥面滑移及各种形式的晶体再取向。其中，重点研究了基面/柱面(BP)转向晶粒、“{10(1)1}-{10(1)2}”类双孪晶以及剪切带等不同的晶体再取向行为及内在机理。首先，在镁单晶纳米柱c轴拉伸时，BP晶粒转向在塑性变形中起到重要作用。它的形核是通过区域原子曳步使得基体基面或柱面上原子重组，从而实现基面与柱面间的转化。而BP界面的迁移则是基于原子曳步机制，由界面错阶运动引起的。该错阶的运动更倾向于沿无晶格错配的[1(2)10]方向而不是错配方向[(1)010]/[0001]。由于BP面与{10(1)2}孪晶界可通过界面错阶的滑移和堆积相互转化，再取向晶体与基体的界面可由BP面与{10(1)2}孪晶界交替组成，也可由BP与PB面直接交替组成。其次，在沿镁单晶纳米柱a轴及其附近轴向拉伸时，类似于{10(1)1}-{10(1)2}双孪晶的再取向晶粒是重要的塑性变形机制。两个转向晶粒间的界面有两种形式:以传统的{10(1)2}孪晶界为主和以BP界面为主。再取向晶粒与基体间的界面结构，除传统的{10(1)1}孪晶界外，还存在一个特殊的粗糙界面。该界面是由多个位错堆积形成，通过原子曳步机制实现界面迁移。类双孪晶中各类界面的迁移与荷载方向密切相关，在后期的塑性变形中直接主导着两个再取向晶粒间的竞争。此外，在一定取向范围拉压过程中还呈现出一种特殊的再取向晶体—剪切带。剪切带与基体间界面{(1)2(1)1}的迁移依赖于界面位错的运动。
　　(3)通过分子动力学方法分别对密排六方金属钛纳米圆柱、八棱柱及方柱进行了拉伸加载模拟，重点探讨了密排六方(hcp)晶体向面心立方(fcc)晶体相变的内在机理及影响因素。从[(1)010]轴向拉伸的塑性变形结果中可知，hcp-fcc相变是除了柱面位错外另一个重要的塑性变形行为。该相变由多个间隔部分柱面位错堆垛形成。其相界的对应面及对应方向为{10(1)0}hcp‖{110}fcc和<0001>hcp‖<001>fcc。本章着重分析了影响该相变形成的两个因素:表面效应和取向效应。结果表明，该相变只有在{11(2)2}面为外表面，同时沿～[(1)010]轴向加载时才会容易出现。从表面能角度来看，粗糙的{11(2)2}表面与相变后的最密排表面{111}间较大的表面能量差促使不稳定界面向稳定界面转变。同时，该相变的形核不需要过大的柱面剪切力，因为过大的剪切力容易激发跟随部分位错，导致柱面全位错的形核。
　　本文揭示了密排六方金属镁和钛在纳米尺度下的塑性变形机制，给出了位错分解、晶体再取向、晶界迁移、相变等多种演化行为的详细分析。为提高材料强度和塑性的设计提供了理论指导，对材料的开发与利用具有科学意义。