基于分子动力学的镁中{10 - 11}孪晶形变机制深度剖析.docxVIP

基于分子动力学的镁中{10-11}孪晶形变机制深度剖析

1.绪论

1.1研究背景与意义

镁合金作为目前工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽能力强、易回收等一系列优异特性，在航空航天、汽车制造、电子通讯等诸多领域展现出了巨大的应用潜力。在航空航天领域，使用镁合金制造飞机零部件，如机身框架、发动机部件等，能够有效减轻飞行器的重量，进而提高燃油效率和飞行性能；汽车工业中，使用镁合金制造汽车零部件，如方向盘骨架、座椅框架、轮毂等，可以显著降低车辆自重，从而减少燃油消耗和尾气排放；在电子行业，镁合金用于制造笔记本电脑、手机等电子产品的外壳，不仅具有良好的电磁屏蔽性能，还能提供轻巧美观的外观设计。

然而，镁合金密排六方（HCP）的晶体结构使其室温下可开动的滑移系有限，塑性变形能力较差，这在很大程度上限制了其更广泛的应用。孪生作为一种重要的塑性变形方式，在镁合金的塑性变形过程中发挥着关键作用。其中，{10-11}孪晶是镁中常见的孪晶类型之一，深入研究镁中{10-11}孪晶的形变机制，对于理解镁合金的塑性变形行为、开发高性能镁合金材料以及优化镁合金加工工艺都具有至关重要的意义。通过明晰{10-11}孪晶在不同条件下的形核、长大以及与其他晶体缺陷（如位错、晶界）的交互作用机制，可以为通过合金化、热处理和塑性加工等手段调控镁合金的微观组织和性能提供坚实的理论依据，从而推动镁合金在更多领域的应用和发展。

1.2镁的塑性变形机制

1.2.1镁中的滑移系

镁具有密排六方晶体结构，其常见的滑移系主要包括基面滑移{0001}11-20、柱面滑移{10-10}11-20和锥面滑移{10-11}11-20及{11-22}11-23等。在这些滑移系中，基面滑移的临界分切应力（CRSS）相对较低，在室温下最容易被激活，是镁在低温变形时的主要滑移方式。然而，仅仅依靠基面滑移无法满足多晶体材料塑性变形时各晶粒之间的协调变形要求，因为根据Von-Mises准则，多晶体材料需要至少5个独立的滑移系才能实现任意变形。镁在室温下独立滑移系的不足，导致其塑性变形能力受限。随着温度的升高，原子的热激活作用增强，柱面滑移和锥面滑移系逐渐被激活，使得镁的塑性变形能力有所提高。但由于不同滑移系的CRSS对温度和应力状态的敏感性不同，在实际变形过程中，各滑移系的开动顺序和参与程度较为复杂，这也进一步影响了镁合金的塑性变形行为和力学性能。

1.2.2镁中的孪晶

孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系。在镁合金中，孪晶是一种重要的塑性变形方式，常见的孪晶类型有{10-12}拉伸孪晶和{10-11}压缩孪晶等。孪晶的形成是通过晶体的局部切变实现的，切变过程中原子发生有规律的集体运动，使得孪晶部分与基体部分形成特定的晶体学取向关系。与滑移相比，孪生所需的临界分切应力较高，但在滑移难以进行的情况下，如当晶体取向不利于滑移或者受到较大的应力集中时，孪生就可能被激活，从而协调晶体的塑性变形。孪晶的出现不仅可以改变晶体的取向，为滑移提供新的取向条件，还能通过孪晶与位错、晶界等缺陷的交互作用，影响材料的加工硬化行为和力学性能。{10-11}孪晶作为镁中重要的孪晶类型之一，其形变机制的研究对于深入理解镁合金的塑性变形行为具有重要意义，因此成为了本研究的重点关注对象。

1.3孪晶界

1.3.1孪晶界结构及其分类

孪晶界是指孪晶与基体之间的界面，它具有独特的原子排列结构。根据原子排列的匹配程度，孪晶界可分为两类：共格孪晶界和非共格孪晶界。共格孪晶界指孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的阵点上，为两个晶体所共有，属于匹配、无畸变的完全共格晶面，其界面能很低，约为普通晶界界面能的1/10，在显微镜下通常呈现为直线，这种孪晶界较为常见；非共格孪晶界则是指孪晶界相对于孪晶面旋转了一定角度，此时孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有，原子错排较为严重，因此这种孪晶界的能量相对较高，约为普通晶界的1/2。孪晶界的结构特征对孪晶的稳定性、生长行为以及与其他晶体缺陷的交互作用都有着重要影响，深入研究孪晶界结构及其分类，有助于更好地理解{10-11}孪晶的形变机制。

1.3.2纳米孪晶材料的塑性变形机制及其对力学性质的影响

在纳米孪晶材料中，由于孪晶界的间距处于纳米尺度，其塑性变形机制与传统粗晶材料有很大不同。纳米孪晶界具有较高的界面能和大量的原子错配位错，这些特性使得纳米孪晶材料在塑性变形过程中呈现出独特的行为。位错在纳米孪晶材料中的运动受到孪晶界的强烈阻碍，当位错运动到孪晶界