546 工程科学学报，第43卷，第4期 interactions with CTB in detwinning process.Given that the crystal defects such as dislocation loops can be induced by the dense distribution of SIAs at a long timescale,this study clarifies the fatigue mechanical properties of magnesium and magnesium alloys subjected to periodic loading. KEY WORDS magnesium:molecular dynamics:1012)twin:detwinning:self-interstitial atoms 由于密排六方金属中可同时启动的滑移系较 原子的交互作用.研究中首先建立了镁单晶的双 少，因此李生成为密排六方金属中重要的翔性变 孪晶界面模型，研究在剪切载荷作用下的去孪晶 形机制.镁中的孪晶种类主要有{1012、11②1拉伸 过程及相关微观变形机制：在此基础上进一步考 孪晶以及1011、{1122压缩孪晶-.其中，1012 察了去孪晶过程中共格孪晶界与自间隙原子的交 拉伸孪晶是镁中最常见的孪晶种类.在周期载荷 互作用及其微结构演化过程，探讨去孪晶过程对 下，{102拉伸孪晶呈现出显著的去李晶行为-川 自间隙原子空间分布的影响 2007年Wang和Huang!研究发现，预压缩过程中 1研究模型的建立 产生的拉伸孪晶在后续拉伸变形中因去孪晶过程 而消退：2013年娄超等四的研究表明去孪晶行为 本文建立了如图1所示的双孪品界面模型.模 可以明显的改变AZ31镁合金的流变应力，并且引 型的xy,z坐标轴正方向分别对应图示最下部品粒 起织构变化使得软取向变成硬取向，从而强化材 的1011、1210和1012品向.x和y方向采取周期 料.可知，去孪晶行为是镁及镁合金疲劳损伤的重 边界条件，：方向为自由边界条件.模型尺寸约为 要微观机理之一 22.7nm×39.5nm×2.4nm,原子总个数约为1.0×10 此外，金属中广泛存在着点缺陷，其迁移和聚 两个共格孪晶界(Coherent twin boundary,.CTB)的 集、与其它缺陷的交互作用对金属的力学性能，特 间距约为8.3nm,图中标记为H.H即为李品厚度 别是高温蠕变力学性能产生影响2-在密排六 本文在模拟中对模型施加剪切载荷实现去孪晶过 方金属中，锆可作为核反应堆的防护材料，所以锆 程，对应李品厚度H的减小.剪切载荷通过对固定 中的点缺陷一直备受关注l202007年Sera等] 层施加增量位移的方式达到.每次施加的增量位 研究了剪切作用下金属锆中拉伸孪晶共格孪晶界 移可产生0.04%的剪切应变，对应着4.25MPa的 在迁移过程中与间隙原子簇和空位簇的交互作用， 剪应力，随后体系以3s的时间步长弛豫2000步 指出间隙原子簇的存在阻碍了孪晶界的运动.对于 在不断施加增量位移并弛豫的过程中，当剪应力 金属镁，研究人员主要关注的是其常温塑性加工 达到0.49GPa,两个共格孪晶界开始相向迁移并随 方面的力学性能改善，因此与点缺陷相关的研究 载荷增加而逐渐靠近，最终相互湮灭.本文预置十 较少21-2312016年Pasianot等用第一原理方法 个自间隙原子(Self-interstitial atom,SIA)随机分布 计算了七种密排六方金属中自间隙原子稳定结构 于两个共格孪晶界之间.分子动力学模拟采用 的形成能，并认为镁中的自间隙原子最易以C和 Liu等开发的嵌入原子势(Embedded atom method, S构型存在.1991年Monti等22研究了镁和锆中 EAM),并采用等温等压系综(NPT)控制体系的 晶界及位错对点缺陷的吸收强度，结果显示吸收 统计物理量，温度设为5K,在：方向上控压为0MPa 强度与点缺陷扩散方向有关.1995年de Diego和 模拟通过LAMMPS程序来实现，可视化采用 Bacon!21针对镁、锆和钛的不同原子间作用势研究 AtomEye软件2a 了四种不同共格孪晶界上间隙原子的稳定结构， 发现在102孪晶界上BC和S构型相对最稳定.目 2结果与讨论 前，针对镁中去孪晶过程与点缺陷交互作用的研 2.1自间隙构型 究尚待开展.由于去孪晶过程是镁及镁合金疲劳 为了更好地研究自间隙原子与孪晶界的交互 损伤的重要微观机理之一，去孪晶过程中孪晶界 作用，本文首先探讨了镁中自间隙原子的微观构 与点缺陷产生的交互作用将对镁及镁合金的疲劳 型，简称间隙构型.密排六方金属中可能存在的间 力学性能产生影响，因此，具有重要的研究意义. 隙构型共有8种，分别为图2(a)中的：O、C、S、 基于以上分析，本文采用分子动力学方法研 T、BO、BC、BS和BT.某些构型还存在变体，如 究了密排六方金属镁中102拉伸孪晶品的去孪晶 S和C,与原有构型S和C稍具差别.在金属镁 过程，探讨了去李晶过程中李晶界迁移与自间隙 中，第一原理计算结果指出，S和C构型的形成能interactions with CTB in detwinning process. Given that the crystal defects such as dislocation loops can be induced by the dense distribution of SIAs at a long timescale, this study clarifies the fatigue mechanical properties of magnesium and magnesium alloys subjected to periodic loading. KEY WORDS    magnesium；molecular dynamics； 1012¯ { } twin；detwinning；self-interstitial atoms { 1012¯ } { 1121¯ } { 1011¯ } { 1122¯ } { 1012¯ } { 1012¯ } 由于密排六方金属中可同时启动的滑移系较 少，因此孪生成为密排六方金属中重要的塑性变 形机制. 镁中的孪晶种类主要有 、 拉伸 孪晶以及 、 压缩孪晶[1−4] . 其中， 拉伸孪晶是镁中最常见的孪晶种类. 在周期载荷 下， 拉伸孪晶呈现出显著的去孪晶行为[5−11] . 2007 年 Wang 和 Huang[5] 研究发现，预压缩过程中 产生的拉伸孪晶在后续拉伸变形中因去孪晶过程 而消退；2013 年娄超等[11] 的研究表明去孪晶行为 可以明显的改变 AZ31 镁合金的流变应力，并且引 起织构变化使得软取向变成硬取向，从而强化材 料. 可知，去孪晶行为是镁及镁合金疲劳损伤的重 要微观机理之一. { 1012¯ } 此外，金属中广泛存在着点缺陷，其迁移和聚 集、与其它缺陷的交互作用对金属的力学性能，特 别是高温蠕变力学性能产生影响[12−14] . 在密排六 方金属中，锆可作为核反应堆的防护材料，所以锆 中的点缺陷一直备受关注[15−20] . 2007 年 Serra 等[18] 研究了剪切作用下金属锆中拉伸孪晶共格孪晶界 在迁移过程中与间隙原子簇和空位簇的交互作用， 指出间隙原子簇的存在阻碍了孪晶界的运动. 对于 金属镁，研究人员主要关注的是其常温塑性加工 方面的力学性能改善，因此与点缺陷相关的研究 较少[21−23] . 2016 年 Pasianot 等[21] 用第一原理方法 计算了七种密排六方金属中自间隙原子稳定结构 的形成能，并认为镁中的自间隙原子最易以 C 和 S 构型存在. 1991 年 Monti 等[22] 研究了镁和锆中 晶界及位错对点缺陷的吸收强度，结果显示吸收 强度与点缺陷扩散方向有关. 1995 年 de Diego 和 Bacon[23] 针对镁、锆和钛的不同原子间作用势研究 了四种不同共格孪晶界上间隙原子的稳定结构， 发现在 孪晶界上 BC 和 S 构型相对最稳定. 目 前，针对镁中去孪晶过程与点缺陷交互作用的研 究尚待开展. 由于去孪晶过程是镁及镁合金疲劳 损伤的重要微观机理之一，去孪晶过程中孪晶界 与点缺陷产生的交互作用将对镁及镁合金的疲劳 力学性能产生影响，因此，具有重要的研究意义. { 1012¯ } 基于以上分析，本文采用分子动力学方法研 究了密排六方金属镁中 拉伸孪晶的去孪晶 过程，探讨了去孪晶过程中孪晶界迁移与自间隙 原子的交互作用. 研究中首先建立了镁单晶的双 孪晶界面模型，研究在剪切载荷作用下的去孪晶 过程及相关微观变形机制；在此基础上进一步考 察了去孪晶过程中共格孪晶界与自间隙原子的交 互作用及其微结构演化过程，探讨去孪晶过程对 自间隙原子空间分布的影响. 1    研究模型的建立 [ 1011 ¯ ] [ 1210 ¯ ] [ 1012¯ ] 本文建立了如图 1 所示的双孪晶界面模型. 模 型的 x,y,z 坐标轴正方向分别对应图示最下部晶粒 的 、 和 晶向. x 和 y 方向采取周期 边界条件，z 方向为自由边界条件. 模型尺寸约为 22.7 nm×39.5 nm×2.4 nm，原子总个数约为 1.0×105 . 两个共格孪晶界（Coherent twin boundary, CTB）的 间距约为 8.3 nm，图中标记为 H. H 即为孪晶厚度. 本文在模拟中对模型施加剪切载荷实现去孪晶过 程，对应孪晶厚度 H 的减小. 剪切载荷通过对固定 层施加增量位移的方式达到. 每次施加的增量位 移可产生 0.04% 的剪切应变，对应着 4.25 MPa 的 剪应力，随后体系以 3 fs 的时间步长弛豫 2000 步. 在不断施加增量位移并弛豫的过程中，当剪应力 达到 0.49 GPa，两个共格孪晶界开始相向迁移并随 载荷增加而逐渐靠近，最终相互湮灭. 本文预置十 个自间隙原子（Self-interstitial atom, SIA）随机分布 于两个共格孪晶界之间. 分子动力学模拟采用 Liu 等开发的嵌入原子势（Embedded atom method， EAM） [24] ，并采用等温等压系综（NPT）控制体系的 统计物理量，温度设为 5 K，在 z 方向上控压为 0 MPa. 模拟通过 LAMMPS 程序[25] 来实现，可视化采用 AtomEye 软件[26] . 2    结果与讨论 2.1    自间隙构型 为了更好地研究自间隙原子与孪晶界的交互 作用，本文首先探讨了镁中自间隙原子的微观构 型，简称间隙构型. 密排六方金属中可能存在的间 隙构型共有 8 种[21] ，分别为图 2（a）中的：O、C、S、 T、BO、BC、BS 和 BT. 某些构型还存在变体，如 S *和 C * ，与原有构型 S 和 C 稍具差别. 在金属镁 中，第一原理计算结果指出， S*和 C *构型的形成能 · 546 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期