Mg2Ca相对镁合金形变和失效机理的影响

2020-06-03杜际广

四川大学学报（自然科学版） 2020年3期

杨旗，杜际广，蒋刚,3

(1.四川大学原子与分子物理研究所, 成都 610065;2.四川大学物理学院，成都 610065;3.四川大学高能量密度物理与技术重点实验室，成都 610065)

1 引言

高性能结构材料中，镁及其合金在现有金属中有“最轻的工程材料”的美誉[1-2]. 但镁等密排六方(HCP)晶体的金属材料，结构上各向异性导致塑性成形性和延展性差、容易被腐蚀. 为了提高其成形性和耐腐蚀性，添加锂(Li)、铝(Al)、钙(Ca)、锌(Zn)、锆(Zr)和稀土(RE)等合金元素是目前最有效的方式之一[3]. 其中钙元素是自然界含量第三的金属元素，其价格相比稀土元素等低廉，故镁钙合金大量应用于汽车和航空航天等工业领域. 因此，多角度认识Mg-Ca合金的形变和失效机理是十分必要的. 这也可以帮助改进多组分的Mg-Ca-X(-X)合金. 在理想的条件下，钙在镁合金中的最大固溶度约为1.34 wt%[4]，Mg2Ca沉淀物是唯一的稳定第二相[5-6]. 相较于全面研究了固溶Al原子和Mg17Al12沉淀物对合金性能影响的Mg-Al体系[7-8]， Mg-Ca体系目前只讨论了固溶Ca原子的影响. 2015年，Reddy和Groh[9]模拟分析了固溶钙原子和温度对纯镁纳米晶体屈服面上的机械行为的影响. 2018年，Nahhas和Groh研究了纯镁和二元MgX合金(X=固溶原子Ca、Gd、Li、Sn、Y、Ag、Nd和Pb)中对称倾斜晶界结构、能量和强度[10]. 而涉及Mg2Ca沉淀的研究主要在实验或第一性原理计算方面，揭示的是其晶格结构、电子性质和热力学性质等[6,11-12]，尚不清楚Mg2Ca沉淀物的机械行为和其对Mg-Ca合金形变、破坏机理的影响. 综上所述，本文采用分子动力学方法，研究对比了Mg、Mg2Ca单晶体的机械性质和行为. 进一步分析多晶Mg/Mg2Ca复合材料模型的结构变化，揭示了Mg2Ca稳定相对镁合金形变和失效机理的影响.

2 模拟细节

本文分子动力学模拟使用LAMMPS软件[13]，数据用OVITO软件进行可视化分析[14]. 最新2NN-MEAM势函数用来描述Mg、Ca原子间相互作用[15]. 如表1成功复现了Mg和Mg2Ca单晶的弹性常数. Mg、Mg2Ca的实验值(Exp)分别来自文献[16-17]，其它计算值(Cal)来自文献[18-19].

表1 单晶Mg、Mg2Ca弹性常数当前计算值(2NN)、实验值(Exp)和其他计算值(Cal)

Tab.1 Elastic constants of Mg and Mg2Ca, the present (2NN) and experiment (Exp) and others (Cal)

弹性常数/GPaMg Mg2Ca2NNExpCal2NNExpCal C1162.8963.560.565.1861.259.5 C1226.2925.926.120.1417.617.8C1321.2621.722.319.2015.012.6C3369.9566.573.158.2265.566.0C4417.2218.413.421.7219.317.4C6618.3018.817.222.5221.820.9

图1 纯Mg单晶体和多晶Mg/Mg2Ca复合材料初始模型Fig.1 Initial model of Mg/Mg2Ca nanocomposite and Mg single-crystal

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3 结果与讨论

3.1 单晶Mg、Mg2Ca机械性能

图2为单轴拉伸载荷下Mg、Mg2Ca单晶体应力-应变曲线. 初始时应力随应变直线增加，表明模型处于弹性阶段. 斜率值表示杨氏模量，明显的Mg2Ca值大即其刚度也大. 峰值应力近似为屈服应力，对应的应变为屈服应变. Mg2Ca屈服应力大于Mg，但屈服应变小.

图2 单轴拉伸载荷下单晶体Mg、Mg2Ca应力-应变曲线Fig.2 The stress-strain curves of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial tensile loading

图3 单轴拉伸载荷下单晶体Mg、Mg2Ca原子构型(ε-应变)Fig.3 Atomic structure of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial tensile loading (ε-strain)

图4 单轴剪切载荷下单晶体Mg、Mg2Ca应力-应变曲线.Fig.4 The stress-strain curves of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial shear loading.

3.2 多晶Mg/Mg2Ca复合材料机械行为

图6为拉伸载荷下纯镁和应变0.075、0.125时多晶Mg/Mg2Ca(a)表面、(b)X-Y截面的原子构型. 从晶体表面来看，相比纯镁，复合材料易从Mg/Mg2Ca晶界处断裂. 晶体内部，从图6(b1)可以发现，裂缝产生于Mg基体和Mg2Ca颗粒的三重连结处，从而使区域应力降低. 在相邻的Mg/Mg晶界裂缝尖端处应力集中，使裂缝沿晶界扩展，导致材料断裂. 图6(b2)可观察到材料右下方Mg基体微形变，但对于材料失效机理影响可忽略.

图5 单轴剪切载荷下单晶体Mg、Mg2Ca原子构型Fig.5 Atomic structure of single-crystal Mg and Mg2Ca under uniaxial shear loading

图6 单轴拉伸载荷下多晶纯镁与Mg/ Mg2Ca复合材料原子构型, (a)为完整结构，(b)为X-Y截面结构，其中方框区域显示原子应力分布Fig. 6 Atomic structure of pure Mg and Mg/Mg2Ca nanocomposite under uniaxial tensile loading， (a) presents whole model, (b) presents X-Y cross-sectional structure， the frame represents the atomic stress field

图7为单轴剪切荷载作用下纯镁和应变0.150、0.400时多晶Mg/Mg2Ca(a)表面、(b)X-Y截面原子构型. 剪切过程的应力分布明显不均. 如图7(b1)所示，在晶体内部的Mg/Mg晶界应力高度集中，促使晶界形成基面和非基面位错. 随着应变增加，如图7(b2)微小的基面位错扩张，释放应力形成了基面层错. 相比纯镁多晶体，Mg2Ca颗粒的存在减少形变，阻断了位错等缺陷. 同时Mg/Mg2Ca晶界处易出现晶间裂缝. 这使得材料脆性上升. 此外，在图7(a2)虚框1所示区域，多晶体中微小位错经过复杂运动易再结晶生成小晶粒.