《工程科学学报》：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

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 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棋拟 马志超汤笑之郭雅芳 Atomistic simulation of detwinning process and its interaction with self-interstitial atoms in magnesium MA Zhi-chao,TANG Xiao-zhi.GUO Ya-fang 引用本文： 马志超，汤笑之，郭雅芳.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.工程科学学报，2021,43(4)： 545-551.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.02.18.004 MA Zhi-chao,TANG Xiao-zhi,GUO Ya-fang.Atomistic simulation of detwinning process and its interaction with self-interstitial atoms in magnesium [J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(4):545-551.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004 在线阅读View online::htps/∥doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.02.18.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属有机骨架与相变芯材相互作用的分子动力学 Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials 工程科学学报.2020.42(1)：99 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.07.26.001 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763 https::/1oi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.06.008 热压316L/Q345R复合板的结合性能 Factors influencing the combined performance of hot-rolled bimetallic composite plates prepared via hot compression 工程科学学报.2018,40(4)：469 https::/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.04.010 Z:Cu薄膜生长及力学性能的分子动力学模拟 Molecular dynamic simulations of the growth and mechanical properties ofZrCu films 工程科学学报.2019,41(4：497 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.04.010 析出强化与孪晶强化在Fe-24Mn-3Si-3A1TWP钢退火过程中的作用机制 Mechanism of precipitation strengthing and twinning strengthing in annealing process of Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP steel 工程科学学报.2017,396)：854 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.06.006 协变相变组织原始奥氏体取向重构及其在奥氏体孪晶中的应用 Prior austenite orientation reconstruction of coherently transformed products and its application on austenite twinning 工程科学学报.2018.408：945htps:/doi.org/10.13374issn2095-9389.2018.08.008

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 马志超 汤笑之 郭雅芳 Atomistic simulation of detwinning process and its interaction with self-interstitial atoms in magnesium MA Zhi-chao, TANG Xiao-zhi, GUO Ya-fang 引用本文: 马志超, 汤笑之, 郭雅芳. 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[J]. 工程科学学报, 2021, 43(4): 545-551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004 MA Zhi-chao, TANG Xiao-zhi, GUO Ya-fang. Atomistic simulation of detwinning process and its interaction with self-interstitial atoms in magnesium [J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(4): 545-551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属有机骨架与相变芯材相互作用的分子动力学 Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials 工程科学学报. 2020, 42(1): 99 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 热压316L/Q345R复合板的结合性能 Factors influencing the combined performance of hot-rolled bimetallic composite plates prepared via hot compression 工程科学学报. 2018, 40(4): 469 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.010 Zr—Cu薄膜生长及力学性能的分子动力学模拟 Molecular dynamic simulations of the growth and mechanical properties of Zr—Cu films 工程科学学报. 2019, 41(4): 497 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.010 析出强化与孪晶强化在Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP钢退火过程中的作用机制 Mechanism of precipitation strengthing and twinning strengthing in annealing process of Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(6): 854 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.006 协变相变组织原始奥氏体取向重构及其在奥氏体孪晶中的应用 Prior austenite orientation reconstruction of coherently transformed products and its application on austenite twinning 工程科学学报. 2018, 40(8): 945 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.008

工程科学学报.第43卷，第4期：545-551.2021年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.4:545-551,April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004;http://cje.ustb.edu.cn 金属镁中去李晶过程与自间隙原子交互作用的分子动 力学模拟 马志超，汤笑之，郭雅芳区 北京交通大学土木建筑工程学院力学系，北京100044 ☒通信作者，E-mail:yfguo(@bjtu.edu.cn 摘要采用分子动力学方法研究了镁中102拉伸李晶在剪切载荷下的去孪晶过程，并探讨了去孪晶过程中孪晶界面与自 间隙原子的交互作用.研究结果表明：去李品过程中共格孪晶界对自间隙原子具有吸附作用，自间隙原子被共格李晶界吸附 并随之迁移，且随着共格孪晶界的消失而被释放.通过吸收和释放这两种交互作用，去孪晶过程将导致自间隙原子分布更为 密集.研究进一步给出了共格孪晶界对自间隙原子的吸附机理，即共格李晶界存在一个自间隙原子的自发吸收区，0K下宽 度约为0.752m,273K下约为3.59nm.去孪晶过程与自间隙原子的交互作用也将导致自间隙原子构型的变化.由于自间隙 原子的密集分布可在更长时间尺度上诱发位错环等晶体缺陷，这一研究有助于深入理解镁及镁合金的疲劳力学性能. 关键词镁：分子动力学：102拉伸孪晶：去孪晶：自间隙原子 分类号TG146.22 Atomistic simulation of detwinning process and its interaction with self-interstitial atoms in magnesium MA Zhi-chao,TANG Xiao-zhi.GUO Ya-fang Institute of Engineering Mechanics,School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China Corresponding author,E-mail:yfguo@bitu.edu.cn ABSTRACT Magnesium and its alloys have attracted extensive attention due to their favorable mechanical properties,such as low density and high specific strength.The detwinning process of (1012)tensile twins subjected to periodic loading is one of the microscopic mechanisms of fatigue damage in magnesium and its alloys.Moreover,self-interstitial atoms (SIAs)widely exist as a typical kind of point defects in metals.The migration,aggregation,and interaction with other defects,of SIAs affect the metal mechanical properties.In this work,molecular dynamics simulation was employed to study the detwinning process of(1012)twins under shear loads in magnesium,focusing on the interaction between the twin boundary and SIAs in the detwinning process.A simulation system containing two coherent twin boundaries(CTBs)with periodic boundary conditions applied along the two in-plane directions was adopted.The classic embedded atom method(EAM)interatomic potential developed by Liu et.al was used for simulation accuracy and comparison with other studies.The simulation results show that the SIAs are absorbed by the CTBs and migrate along with them.The absorbed SIAs can be released with the disappearance of the CTBs during the detwinning process.By the SIA adsorption and release,detwinning process will result in a more concentrated SIA distribution.The simulation results reveal that SIAs will be adsorbed by CTB if the distance between the CTB and SIA is less than 0.752 nm at 0K and 3.59 nm at 273 K.The energy barrier of the adsorption process is also obtained using the nudged elastic band (NEB)method.The SIA spatial distribution changes after the SIA 收稿日期：2020-02-18 基金项目：国家自然科学基金“面上"资助项目(11972071,11772043)

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 马志超，汤笑之，郭雅芳苣 北京交通大学土木建筑工程学院力学系，北京 100044 苣通信作者，E-mail: yfguo@bjtu.edu.cn { 1012¯ } 摘    要    采用分子动力学方法研究了镁中 拉伸孪晶在剪切载荷下的去孪晶过程，并探讨了去孪晶过程中孪晶界面与自 间隙原子的交互作用. 研究结果表明：去孪晶过程中共格孪晶界对自间隙原子具有吸附作用，自间隙原子被共格孪晶界吸附 并随之迁移，且随着共格孪晶界的消失而被释放. 通过吸收和释放这两种交互作用，去孪晶过程将导致自间隙原子分布更为 密集. 研究进一步给出了共格孪晶界对自间隙原子的吸附机理，即共格孪晶界存在一个自间隙原子的自发吸收区，0 K 下宽 度约为 0.752 nm，273 K 下约为 3.59 nm. 去孪晶过程与自间隙原子的交互作用也将导致自间隙原子构型的变化. 由于自间隙 原子的密集分布可在更长时间尺度上诱发位错环等晶体缺陷，这一研究有助于深入理解镁及镁合金的疲劳力学性能. { 1012¯ } 关键词    镁；分子动力学； 拉伸孪晶；去孪晶；自间隙原子 分类号    TG146.22 Atomistic simulation of detwinning process and its interaction with self-interstitial atoms in magnesium MA Zhi-chao，TANG Xiao-zhi，GUO Ya-fang苣 Institute of Engineering Mechanics, School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China 苣 Corresponding author, E-mail: yfguo@bjtu.edu.cn 1012¯ 1012¯ ABSTRACT    Magnesium and its alloys have attracted extensive attention due to their favorable mechanical properties, such as low density and high specific strength. The detwinning process of { } tensile twins subjected to periodic loading is one of the microscopic mechanisms of fatigue damage in magnesium and its alloys. Moreover, self-interstitial atoms (SIAs) widely exist as a typical kind of point defects in metals. The migration, aggregation, and interaction with other defects, of SIAs affect the metal mechanical properties. In this work, molecular dynamics simulation was employed to study the detwinning process of { } twins under shear loads in magnesium, focusing on the interaction between the twin boundary and SIAs in the detwinning process. A simulation system containing two coherent twin boundaries (CTBs) with periodic boundary conditions applied along the two in-plane directions was adopted. The classic embedded atom method (EAM) interatomic potential developed by Liu et. al was used for simulation accuracy and comparison with other studies. The simulation results show that the SIAs are absorbed by the CTBs and migrate along with them. The absorbed SIAs can be released with the disappearance of the CTBs during the detwinning process. By the SIA adsorption and release, detwinning process will result in a more concentrated SIA distribution. The simulation results reveal that SIAs will be adsorbed by CTB if the distance between the CTB and SIA is less than 0.752 nm at 0 K and 3.59 nm at 273 K. The energy barrier of the adsorption process is also obtained using the nudged elastic band (NEB) method. The SIA spatial distribution changes after the SIA 收稿日期: 2020−02−18 基金项目: 国家自然科学基金“面上”资助项目（11972071，11772043） 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期：545−551，2021 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 4: 545−551, April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004; http://cje.ustb.edu.cn

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

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 547 Shear 错(Twinning dislocation,TD)偶极子的形核及长大. 李晶位错偶极子由两个孪品位错组成（图3(2）)， Matrix 它们在剪切作用下反向运动，从而导致共格孪晶 界的迁移.模拟结果显示，当两个共格孪晶界迁移 Basal plan CTB 至较近距离，晶界上的孪晶位错将于某一区域集 中形核（图3(a3~a4)).形核时产生的TD萌芽 SIA (TD embryo)是孪晶位错形核过程中的标志性缺 陷结构2可，在图3(a4)中可见.孪晶位错的集中形核 使得两个共格孪品界在此处相接，并随后湮灭，形 CIB Potential energy/eV -1.057 -1.608 [10T2] (al) (b1) y[12101● Rigd body 色B Shear Basal plane 图1模型示意图（图中李品界处原子与间隙原子均被放大显示，黑 色虚折线标识了孪品内外的基平面) (a2) b2 Fig.1 Schematic of simulation model (Atoms at the coherent twin boundaries (CTBs)and the self-interstitial atoms (SIAs)are magnified for observation.The black dotted lines denote the basal planes inside and outside the twin) 最低，且因两者构型相近（图2(b)),相互转化所需 (a3 (b3 的能垒也很低四在本文的分子动力学模拟中，共 存在5种间隙构型，分别为C、S、BO、BC和BS, 如图2(b)所示.在体系未受外载的条件下，所预置 的自间隙原子多以C和S构型存在，并可以相互 转化，这与第一原理计算结果相符四，具体结果将 a41 TD embrvo 在下文讨论 b6 B (a) (b) 图2密排六方金属中可能存在的8种间隙构型示意图()及本文分 子动力学模拟中存在的间隙构型(b) Fig.2 Schematic of eight possible configurations of SIAs in hcp metals (a) 6 (a)and configurations obtained in this work(b) 图3去孪品过程(a)及去李品过程与自间隙原子交互作用(b)(图中 2.2去孪晶过程对自间隙原子空间分布的影响 的虚线所示为孪品内外两部分品体各自的基面.原子按其势能大小着 图3(a)所示为分子动力学模拟中的去孪晶过 色.品界处原子与间隙原子均被放大显示，以便观察) 程.相关研究表明-0，共格孪晶界在剪切载荷下 Fig.3 Detwinning process(a)and interaction between the CTBs and the SIAs(b)(The dotted lines denote the basal planes inside and outside the 的迁移由孪晶位错环的均匀形核及扩展完成.孪 twin.Atoms are colored according to potential energy.Atoms on the 晶位错环的形核及扩展在图3(a)中表现为孪晶位 CTB and in the interstitial structure are magnified for observation)

最低，且因两者构型相近（图 2（b）），相互转化所需 的能垒也很低[21] . 在本文的分子动力学模拟中，共 存在 5 种间隙构型，分别为 C *、S *、BO、BC 和 BS， 如图 2（b）所示. 在体系未受外载的条件下，所预置 的自间隙原子多以 C *和 S *构型存在，并可以相互 转化，这与第一原理计算结果相符[21] ，具体结果将 在下文讨论. S S * C T BT BC O BO BS C* S * BC BS C* S S * S * C T BT (a) (b) BC BC BO BS O BO BS C * C* 图 2 密排六方金属中可能存在的 8 种间隙构型示意图（a）及本文分 子动力学模拟中存在的间隙构型（b） Fig.2 Schematic of eight possible configurations of SIAs in hcp metals (a) and configurations obtained in this work (b) 2.2    去孪晶过程对自间隙原子空间分布的影响 图 3（a）所示为分子动力学模拟中的去孪晶过 程. 相关研究表明[27−30] ，共格孪晶界在剪切载荷下 的迁移由孪晶位错环的均匀形核及扩展完成. 孪 晶位错环的形核及扩展在图 3（a）中表现为孪晶位 错（Twinning dislocation, TD）偶极子的形核及长大. 孪晶位错偶极子由两个孪晶位错组成（图 3（a2））， 它们在剪切作用下反向运动，从而导致共格孪晶 界的迁移. 模拟结果显示，当两个共格孪晶界迁移 至较近距离，晶界上的孪晶位错将于某一区域集 中形核（图 3（ a3～a4））. 形核时产生的 TD 萌芽 （TD embryo）是孪晶位错形核过程中的标志性缺 陷结构[27] ，在图 3（a4）中可见. 孪晶位错的集中形核 使得两个共格孪晶界在此处相接，并随后湮灭，形 Shear Shear SIA Twin CTB Basal plane Rigid body Rigid body z [101− 2] x [1− 011] y [12− 10] CTB Matrix Matrix H 图 1 模型示意图（图中孪晶界处原子与间隙原子均被放大显示，黑 色虚折线标识了孪晶内外的基平面） Fig.1 Schematic of simulation model (Atoms at the coherent twin boundaries (CTBs) and the self-interstitial atoms (SIAs) are magnified for observation. The black dotted lines denote the basal planes inside and outside the twin) (a1) Basal plane C * C* S * S * Basal plane BC CTB TD CTB (b1) (a2) (b2) (a3) (b3) (a4) TD embryo TD embryo TD TD TD BC BC BPI BPI BS BS BS SIA pair BO (b4) (a5) (b5) (a6) (b6) (a) (b) −1.057 −1.608 Potential energy/eV 图 3 去孪晶过程（a）及去孪晶过程与自间隙原子交互作用（b）（图中 的虚线所示为孪晶内外两部分晶体各自的基面. 原子按其势能大小着 色. 晶界处原子与间隙原子均被放大显示，以便观察） Fig.3 Detwinning process (a) and interaction between the CTBs and the SIAs (b) (The dotted lines denote the basal planes inside and outside the twin. Atoms are colored according to potential energy. Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified for observation) 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 · 547 ·

548 工程科学学报，第43卷，第4期 成基柱界面(Basal/Prismatic interface,.BPI)(图3(a5) 隙原子大多处于BC和S构型.当去孪晶过程进 基柱界面开始迁移之后孪晶长度缩短.在共格孪 入以基柱面迁移为主的阶段，原本位于共格孪晶 晶界迁移及基柱界面迁移的共同作用下，孪晶的两 界之上的自间隙原子随着共格孪晶界消失而被释 种晶界全部相互湮灭，孪晶消失（图3(a6).综上， 放，停留在孪晶消失时的位置.由于自间隙原子随 102拉伸孪晶的去孪晶有先后两个不同的过程， 共格孪晶界的迁移，整个去孪晶过程导致了自间 首先是共格孪晶界的迁移导致的孪品厚度减小， 隙原子的空间分布发生变化，最后停留在孪晶消 然后是基柱界面的迁移导致的孪晶长度缩短，直 失的区域，并集中在孪晶界消失平面附近.此时， 至孪晶消失 自间隙原子构型以BS、BC和BO构型为主，与去 图3(b)为在两个共格孪晶界之间（孪晶内部） 孪晶过程开始之前不同.这是因为自间隙原子在 预置十个自间隙原子时的去孪品过程.结果显示， 共格孪品界的影响下沿基平面的扩散特征使其转 在有自间隙原子的情况下，去孪晶过程中的孪晶 变为基面构型，即BS,BC和BO 界迁移与图3(a)中所示基本一致，但自间隙原子 2.3共格李晶界对间隙原子的吸附机制 的位置会随着孪晶界迁移而改变.在与共格孪晶 本节我们将通过微观结构演化分析探讨共格 界相遇之前，自间隙原子稳定在预置的位置静止 孪晶界对自间隙原子的吸附机制.模拟结果显示， 不动，并大多处于C和S构型.迁移过程中当共格 对于每一个间隙原子，当共格孪晶界迁移至距该 孪晶界经过时，自间隙原子被吸附并随之迁移 间隙原子足够近的位置时，该自间隙原子会主动 (图3(b1~b3)),共格孪晶界迁移过后的区域内不 向共格孪品界运动，并吸附于其上，吸附过程如 再有自间隙原子.被吸附在共格孪晶界上的自间 图4(b)所示.自间隙原子无论处于C构型还是 0.4 之 0.2 (b1) -0.2 Basal plane CTB -0.4 -0.6 Potential energy/eV (b2) -1.061 0.8 Reaction coordinates (a) SIA Basal plane b3) 1.572 [10I01 [10i2] 个 今[110) 7 (c) (b) Potential energy/eV CTB -125 ● ● [10T2]● ● ● e6 [10i2 ● -1.56 i01 [1210] (d) 图4NEB计算的系统势能形貌(a):0K时自间隙原子位于自发吸收区内被共格孪品界吸收的过程(b)(原子按其势能大小着色，孪品界处原子与 可隙原子均被放大显示)：从0001]方向观察吸收的路径（©）：从1210及1011两个方向上观察被共格李品界吸收后间隙原子的构型(d)(原子按 其势能大小若色，左图品界处原子与间隙原子均被放大显示，以便观察) Fig.4 Potential energy landscape (a)associated with the atomic configurations described in(b);Process of SIA absorption by CTB in the spontaneous absorption region at 0 K(b)(Atoms are colored according to potential energy.Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified for observation):Path of absorption observed in the [0001]direction (c)Configurations of SIAs absorbed by the CTB observed in the directions of110 and 1011(d)(Atoms are colored according to potential energy.Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified for observation in the left part)

{ 1012¯ } 成基柱界面（Basal/Prismatic interface, BPI）（图 3（a5））. 基柱界面开始迁移之后孪晶长度缩短. 在共格孪 晶界迁移及基柱界面迁移的共同作用下,孪晶的两 种晶界全部相互湮灭，孪晶消失（图 3（a6））. 综上， 拉伸孪晶的去孪晶有先后两个不同的过程， 首先是共格孪晶界的迁移导致的孪晶厚度减小， 然后是基柱界面的迁移导致的孪晶长度缩短，直 至孪晶消失. 图 3（b）为在两个共格孪晶界之间（孪晶内部） 预置十个自间隙原子时的去孪晶过程. 结果显示， 在有自间隙原子的情况下，去孪晶过程中的孪晶 界迁移与图 3（a）中所示基本一致，但自间隙原子 的位置会随着孪晶界迁移而改变. 在与共格孪晶 界相遇之前，自间隙原子稳定在预置的位置静止 不动，并大多处于 C *和 S *构型. 迁移过程中当共格 孪晶界经过时，自间隙原子被吸附并随之迁移 （图 3（b1～b3）），共格孪晶界迁移过后的区域内不 再有自间隙原子. 被吸附在共格孪晶界上的自间 隙原子大多处于 BC 和 S *构型. 当去孪晶过程进 入以基柱面迁移为主的阶段，原本位于共格孪晶 界之上的自间隙原子随着共格孪晶界消失而被释 放，停留在孪晶消失时的位置. 由于自间隙原子随 共格孪晶界的迁移，整个去孪晶过程导致了自间 隙原子的空间分布发生变化，最后停留在孪晶消 失的区域，并集中在孪晶界消失平面附近. 此时， 自间隙原子构型以 BS、BC 和 BO 构型为主，与去 孪晶过程开始之前不同. 这是因为自间隙原子在 共格孪晶界的影响下沿基平面的扩散特征使其转 变为基面构型，即 BS，BC 和 BO. 2.3    共格孪晶界对间隙原子的吸附机制 本节我们将通过微观结构演化分析探讨共格 孪晶界对自间隙原子的吸附机制. 模拟结果显示， 对于每一个间隙原子，当共格孪晶界迁移至距该 间隙原子足够近的位置时，该自间隙原子会主动 向共格孪晶界运动，并吸附于其上，吸附过程如 图 4（b）所示. 自间隙原子无论处于 C *构型还是 0.4 Relative energy/eV b1 b2 b3 0.2 0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 0.27 eV Reaction coordinates (a) (b) (b1) SIA CTB Basal plane h1 (b2) [101− 2] [1− 011] (b3) −1.572 −1.061 Potential energy/eV [12− 10] [101− 0] SIA CTB Basal plane (c) BC S * −1.56 −1.25 Potential energy/eV [101− [101 2] − 2] [1− 011] [12− 10] BC S * BC S * CTB (d) [ 1210 ¯ ] [ 1011 ¯ ] 图 4 NEB 计算的系统势能形貌（a）；0 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（b）（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）；从 [0001] 方向观察吸收的路径（c）；从 及 两个方向上观察被共格孪晶界吸收后间隙原子的构型（d）（原子按 其势能大小着色，左图晶界处原子与间隙原子均被放大显示，以便观察） [ 1210 ¯ ] [ 1011 ¯ ] Fig.4 Potential energy landscape (a) associated with the atomic configurations described in (b); Process of SIA absorption by CTB in the spontaneous absorption region at 0 K (b) (Atoms are colored according to potential energy. Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified for observation); Path of absorption observed in the [0001] direction (c); Configurations of SIAs absorbed by the CTB observed in the directions of and (d) (Atoms are colored according to potential energy. Atoms on the CTB and in the interstitial structure are magnified for observation in the left part) · 548 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期