马志超等：金属镁中去孪晶过程与自间隙原子交互作用的分子动力学模拟 549. S构型，都将先迁移至基平面，然后替换<1120>方 SA· 向上离晶界更近的邻近晶格点阵上的原子，使其 Potential energy/eV 成为新的自间隙原子.这种替换指向晶界依次发 -1.061 生，沿着基平面上的路径进行（图4(c)中绿色箭头 所示)，最终导致共格孪晶界上多出一个间隙原 子，整个过程等效为原自间隙原子被孪晶界吸收 -1.572 被吸收的自间隙原子以BC或S两种构型稳定在 ·CTB 晶界上，并且两种构型之间可以相互转化（图4(d). 自间隙原子在共格孪晶界上的BC和S两种稳定 因5273K时自间隙原子位于自发吸收区内被共格孪品界吸收的过 构型曾被Diego等报道过P] 程（原子按其势能大小若色，孪品界处原子与间隙原子均被放大显示） 基于以上分析，我们推测共格孪品界两侧应 Fig.5 Process of SIA absorption by a CTB in the spontaneous 该存在自间隙原子的自发吸收区.为了验证这一 absorption region at 273 K (Atoms are colored according to potential energy.Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified 推测，我们做了如下模拟研究：在静止的共格孪晶 for observation) 界附近放置一个自间隙原子并弛豫整个体系，弛 Potential energy/eV 豫结束后检查自间隙原子是否被共格孪晶界吸 -1.117 -1.572 收，若被吸收则证明自间隙原子所处位置在自发 吸收区内.改变自间隙原子与共格孪晶界之间的 (al)SIA (a2) 距离，重复上述弛豫过程，直至自间隙原子不再被 孪晶界吸收.此时两者之间的距离即被认为是自 TB a4) 发吸收区的大小.结果显示，在0K的体系温度 下，此自发吸收区约为0.752nm宽（图4(b)中 h1所示区域).这个结果可以支持在去孪晶过程中 a 观察到的现象，即当共格孪晶界迁移至距间隙原 0.2 子足够近的位置时，自间隙原子会主动向共格孪 晶界靠近并完成吸收过程.此吸收过程可以看做 是自间隙原子在共格孪晶界影响下的扩散行为 其沿基平面内的扩散特征与金属锆中自间隙原子 0.2 沿基平面扩散的特征近似20.对于图4(b)所示的 过程本文进行了爬坡弹性带方法(The nudged elastic -0.4 band method.NEB)的计算以得到吸附过程的能垒， 计算显示完成(b1)到(b3)的过程需要约0.27eV -0.6 Reaction coordinates 的能量（图4(a),与金属锆中的自间隙原子迁移 (b) 能垒处于同一量级7，并明显小于镁中空位的迁 图60K李品位错与共格李品界上自间隙原子的交互作用(a)(原子 移能同时，考虑到温度是对材料变形机制产生 按其势能大小着色.晶界、用于参照的基平面.以及间隙结构中的原 重要影响的因素，且吸附过程与原子扩散相关，暨 子均被放大显示，以便观察)，及NEB计算的系统势能形貌(b) Fig.6 Interaction of TDs and SIAs (a)(Atoms are colored according to 高温下的扩散应有利于吸附，本文将0K的温度升 potential energy.The atoms in twin boundary,basal planes for reference 高至273K,考察了自发吸收区大小的变化.计算 and in the interstitial structure are magnified for observation),potential 结果显示，自发吸收区变为3.59nm宽(h2),约为0K energy landscape (b)associated with the atomic configurations described 下的4倍多，且间隙原子的扩散有一定几率脱离 in (a) 基平面进行，如图(5)所示 格孪晶界（图6(a2).此时自间隙原子与晶界的距 模拟结果显示，当共格孪晶界迁移时，运动的 离等于一个孪晶位错的高度(0.340nm),小于共格 孪晶位错会与已被吸收并稳定在孪品界上的自间 孪晶界的自发吸收区宽度(h≥0.752nm).所以如 隙原子相遇（图6(a)).相遇以后孪品位错将继续 图6(a3)至(a4)所示，自间隙原子再次被共格孪品 运动，其结构和运动形式均不发生改变，而自间隙 界吸收.孪晶位错所致的脱离-吸收过程不断重 原子经与孪晶位错的交互作用之后会短暂脱离共 复，导致自间隙原子随共格孪晶界一同迁移.值得S 1120¯ *构型，都将先迁移至基平面，然后替换< >方 向上离晶界更近的邻近晶格点阵上的原子，使其 成为新的自间隙原子. 这种替换指向晶界依次发 生，沿着基平面上的路径进行（图 4（c）中绿色箭头 所示），最终导致共格孪晶界上多出一个间隙原 子. 整个过程等效为原自间隙原子被孪晶界吸收. 被吸收的自间隙原子以 BC 或 S *两种构型稳定在 晶界上，并且两种构型之间可以相互转化（图 4（d））. 自间隙原子在共格孪晶界上的 BC 和 S *两种稳定 构型曾被 Diego 等报道过[23] . 基于以上分析，我们推测共格孪晶界两侧应 该存在自间隙原子的自发吸收区. 为了验证这一 推测，我们做了如下模拟研究：在静止的共格孪晶 界附近放置一个自间隙原子并弛豫整个体系，弛 豫结束后检查自间隙原子是否被共格孪晶界吸 收，若被吸收则证明自间隙原子所处位置在自发 吸收区内. 改变自间隙原子与共格孪晶界之间的 距离，重复上述弛豫过程，直至自间隙原子不再被 孪晶界吸收. 此时两者之间的距离即被认为是自 发吸收区的大小. 结果显示，在 0 K 的体系温度 下 ，此自发吸收区约 为 0.752 nm 宽 （ 图 4（ b） 中 h1 所示区域）. 这个结果可以支持在去孪晶过程中 观察到的现象，即当共格孪晶界迁移至距间隙原 子足够近的位置时，自间隙原子会主动向共格孪 晶界靠近并完成吸收过程. 此吸收过程可以看做 是自间隙原子在共格孪晶界影响下的扩散行为. 其沿基平面内的扩散特征与金属锆中自间隙原子 沿基平面扩散的特征近似[20] . 对于图 4（b）所示的 过程本文进行了爬坡弹性带方法（The nudged elastic band method，NEB）的计算以得到吸附过程的能垒. 计算显示完成（b1）到（b3）的过程需要约 0.27 eV 的能量（图 4（a）），与金属锆中的自间隙原子迁移 能垒处于同一量级[17] ，并明显小于镁中空位的迁 移能[31] . 同时，考虑到温度是对材料变形机制产生 重要影响的因素，且吸附过程与原子扩散相关，暨 高温下的扩散应有利于吸附，本文将 0 K 的温度升 高至 273 K，考察了自发吸收区大小的变化. 计算 结果显示，自发吸收区变为 3.59 nm 宽（h2），约为 0 K 下的 4 倍多，且间隙原子的扩散有一定几率脱离 基平面进行，如图（5）所示. 模拟结果显示，当共格孪晶界迁移时，运动的 孪晶位错会与已被吸收并稳定在孪晶界上的自间 隙原子相遇（图 6（a））. 相遇以后孪晶位错将继续 运动，其结构和运动形式均不发生改变，而自间隙 原子经与孪晶位错的交互作用之后会短暂脱离共 格孪晶界（图 6（a2））. 此时自间隙原子与晶界的距 离等于一个孪晶位错的高度（0.340 nm），小于共格 孪晶界的自发吸收区宽度（h≥0.752 nm）. 所以如 图 6（a3）至（a4）所示，自间隙原子再次被共格孪晶 界吸收. 孪晶位错所致的脱离−吸收过程不断重 复，导致自间隙原子随共格孪晶界一同迁移. 值得 h2 SIA Basal plane CTB −1.572 −1.061 Potential energy/eV 图 5 273 K 时自间隙原子位于自发吸收区内被共格孪晶界吸收的过 程（原子按其势能大小着色，孪晶界处原子与间隙原子均被放大显示） Fig.5 Process of SIA absorption by a CTB in the spontaneous absorption region at 273 K (Atoms are colored according to potential energy. Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified for observation) (a1) (a4) (a2) b SIA (a3) CTB TD Basal plane −1.117 −1.572 Potential energy/eV (a) Relative energy/eV 0.2 0 −0.2 −0.4 −0.6 0.06 eV Reaction coordinates (b) 图 6 0 K 孪晶位错与共格孪晶界上自间隙原子的交互作用（a）（原子 按其势能大小着色. 晶界、用于参照的基平面，以及间隙结构中的原 子均被放大显示，以便观察），及 NEB 计算的系统势能形貌（b） Fig.6 Interaction of TDs and SIAs (a) (Atoms are colored according to potential energy. The atoms in twin boundary, basal planes for reference and in the interstitial structure are magnified for observation), potential energy landscape (b) associated with the atomic configurations described in (a) 马志超等： 金属镁中去孪晶过程与自间隙原子交互作用的分子动力学模拟 · 549 ·