明知非 宋海洋 安敏榮

(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065)

鎂合金因其低密度被視為最輕的工程結(jié)構(gòu)金屬材料,但因較差的塑性變形行為限制了其廣泛應(yīng)用,因此增強(qiáng)鎂合金的綜合力學(xué)性能已經(jīng)成為當(dāng)前材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,研究了在拉伸載荷下石墨烯對(duì)金屬鎂變形行為和力學(xué)性能的影響.研究結(jié)果表明,石墨烯的嵌入能夠明顯提升金屬鎂的強(qiáng)度和楊氏模量,并對(duì)其塑性變形階段的第二次應(yīng)變強(qiáng)化產(chǎn)生較大影響.研究指出,石墨烯鎂基(GR/Mg)復(fù)合材料和純鎂的塑性變形行為相同,在塑性變形過程中均發(fā)生了從密排六方到體心立方再到密排六方結(jié)構(gòu)的相變.石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料上下兩部分鎂基體的塑性變形行為有較大的影響.當(dāng)石墨烯嵌入高度較小時(shí),石墨烯下方的鎂基體塑性變形能力較強(qiáng),容易發(fā)生位錯(cuò)滑移,而當(dāng)石墨烯嵌入高度較大時(shí),石墨烯上下方的兩部分鎂基體的塑性變形能力相當(dāng),它們的塑性變形行為趨于同步.此外,本文對(duì)鎂基體的相變機(jī)制也進(jìn)行了詳細(xì)分析.本文的研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)高性能的石墨烯金屬基復(fù)合材料具有一定的理論指導(dǎo)意義.

1 引言

鎂及鎂合金作為最輕的工程結(jié)構(gòu)金屬材料,具有許多優(yōu)異的性能,在航空航天、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,被譽(yù)為21 世紀(jì)的綠色結(jié)構(gòu)材料[1].然而,鎂及鎂合金存在塑性差、高溫強(qiáng)度低等缺點(diǎn),這嚴(yán)重限制了鎂及鎂合金的廣泛應(yīng)用.因此,如何有效地提高鎂及鎂合金的塑性變形能力,增強(qiáng)鎂及鎂合金的綜合性能,是拓寬鎂及鎂合金應(yīng)用前景的關(guān)鍵問題.近年來,越來越多的研究人員都致力于探尋新型結(jié)構(gòu)的鎂及鎂合金,并提出一些增強(qiáng)鎂及鎂合金力學(xué)性能的有效方法[2,3].Song和Li[4]首次從理論上提出了晶體/非晶雙相鎂合金納米結(jié)構(gòu)模型,該策略可以有效地改善金屬鎂的塑性變形能力,通過合理設(shè)計(jì)非晶相和晶體相的匹配關(guān)系可以獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異鎂合金.Wu 等[5]采用磁控濺射技術(shù)首次成功制備出了非晶/晶體鎂基超納雙相薄膜材料,研究指出該材料具有超高的強(qiáng)度(3.3 GPa)和良好的塑性.Ding 等[6]研究了稀土鎂合金的變形行為,研究發(fā)現(xiàn),稀土元素的加入可以有效激發(fā)鎂中錐面 〈c+a〉 位錯(cuò)滑移系產(chǎn)生更多位錯(cuò)滑移,從而提高鎂合金的綜合性能.雖然目前人們?cè)谔岣哝V合金力學(xué)性能的研究中取得了一系列研究成果,但與人們預(yù)期的要求仍然有著較大差距,鎂合金在工業(yè)上的應(yīng)用仍有很大的局限性.

石墨烯由于其優(yōu)異的力學(xué)性能,被認(rèn)為是最理想的金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體,受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,并取得了豐碩的研究成果[7?13].Kim等[14]以單層石墨烯為成分合成了高性能的石墨烯銅基復(fù)合材料和石墨烯鎳基復(fù)合材料.Rezaei[15]研究了石墨烯金屬納米層復(fù)合材料的力學(xué)行為,研究發(fā)現(xiàn),石墨烯的加入顯著提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性.Wang 等[16]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,研究了鋁基體中單層石墨烯在單軸拉伸下的力學(xué)性能.結(jié)果表明,石墨烯層能有效地阻斷界面間位錯(cuò)的擴(kuò)展,從而顯著提高復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度.目前,人們對(duì)石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究主要集中在面心立方(face centered cubic,FCC)結(jié)構(gòu)的金屬材料,而對(duì)于具有密排六方結(jié)構(gòu)(hexagonal close packed,HCP)的鎂及鎂合金的研究仍然不足.Zhou 和Liu 等[17]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)石墨烯鎂基(GR/Mg)復(fù)合材料在單軸拉伸作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,指出石墨烯的嵌入可以顯著增強(qiáng)金屬鎂的力學(xué)性能.Xiang 等[18]采用多步分散法制備了GR/Mg 復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)石墨烯的嵌入使得復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度、楊氏模量和延伸率都明顯提高.當(dāng)前,雖然對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料力學(xué)性能的研究已經(jīng)取得了初步成果,但GR/Mg 復(fù)合材料的微觀變形機(jī)制和強(qiáng)化機(jī)理仍不清楚,有待進(jìn)一步揭示.本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了石墨烯對(duì)金屬鎂在拉伸載荷下的變形行為和力學(xué)性能的影響,闡明了石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律.本文的研究結(jié)果為進(jìn)一步設(shè)計(jì)高性能的石墨烯鎂金屬基復(fù)合材料提供了一定的理論依據(jù).

2 模擬方法和模擬過程

運(yùn)用LAMMPS[19]軟件,采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了在單軸拉伸載荷下石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料變形行為和力學(xué)性能的影響.Du等[20]在實(shí)驗(yàn)中制備GR/Mg 復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn),石墨烯會(huì)呈現(xiàn)擇優(yōu)沉積,沉積于鎂合金基面上.因此,構(gòu)建了金屬鎂基面(即YZ平面)與石墨烯平行的GR/Mg復(fù)合材料模型進(jìn)行研究,模型尺寸為14.4 nm ×21.4 nm × 37.4 nm 的GR/Mg 復(fù)合材料模型,如圖1(a)所示.嵌入的石墨烯在Y和Z兩個(gè)方向的尺寸分別為15.3 nm 和37.4 nm,石墨烯結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.為了闡明石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料力學(xué)行為的影響,構(gòu)建了5 個(gè)石墨烯嵌入高度(h)分別為0.1L,0.2L,0.3L,0.4L,0.5L的模型,其中L為GR/Mg 復(fù)合材料在X方向上的尺寸.為了方便起見,用GRx/Mg (x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)描述不同嵌入高度的復(fù)合材料模型.GR/Mg復(fù)合材料模型含有大約531000 個(gè)原子.鎂基體在X,Y,Z方向晶向分別為[0001],,石墨烯在Z方向上為鋸齒型取向.在模擬中,所有模型的Y和Z方向均采用周期邊界條件,而X方向采用自由邊界條件,并通過Nose-Hoover 方法進(jìn)行溫度控制.在模擬中,沿模型的Z方向施加拉伸載荷,應(yīng)變率為109s–1.

圖1 (a) GR/Mg 復(fù)合材料的初始模型;(b) 嵌入石墨烯的原子快照?qǐng)D,其中紅色原子為鎂原子,灰白色原子為碳原子Fig.1.(a) The initial model of GR/Mg composites;(b) the atomic snapshots of embedded graphene.The red atom is magnesium atom,and the gray and white atom is carbon atom.

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中,勢(shì)函數(shù)的選擇是獲得合理結(jié)果的關(guān)鍵因素.用組合勢(shì)來描述原子間的相互作用,鎂原子之間的相互作用采用Sun 等[21]開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)嵌入原子方法勢(shì)來描述,碳原子之間的相互作用采用自適應(yīng)分子間反應(yīng)鍵序勢(shì)[22]進(jìn)行描述,鎂原子和碳原子之間的相互作用采用Lennard-Jones 勢(shì)[23]來描述.在施加拉伸載荷之前,所有的模型首先采用共軛梯度能量最小化算法達(dá)到一個(gè)平衡結(jié)構(gòu).采用可視化工具(OVITO)[24]分析施加拉伸變形過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,采用共同鄰域分析法(common neighbor analysis,CNA)[25]分析原子的局部晶體結(jié)構(gòu).在使用CNA 分析GR/Mg復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)時(shí),分別用紅色、藍(lán)色、綠色和灰色分別代表HCP 結(jié)構(gòu)原子、體心立方(body centered cubic,BCC)結(jié)構(gòu)原子、FCC 結(jié)構(gòu)原子、無序結(jié)構(gòu)原子和碳原子.

3 結(jié)果與討論

3.1 石墨烯對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

為了研究石墨烯對(duì)金屬鎂力學(xué)性能的影響,圖2 給出了具有不同石墨烯嵌入高度的GR/Mg復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.眾所周知,材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以反映材料在載荷作用下的整體力學(xué)響應(yīng).從圖2 可以看出,純鎂和GR/Mg 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均分為三個(gè)階段,且它們的整體變化趨勢(shì)相似.對(duì)于所有模型來說,應(yīng)力在曲線的開始階段隨應(yīng)變線性增加,服從胡克定律.應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始彈性階段的斜率為材料的楊氏模量.從圖2 可以看出,相比于純鎂來說,GR/Mg 復(fù)合材料的楊氏模量和第一峰值應(yīng)力分別提高了大約27.5%和36.5%,這主要是因?yàn)槭┑臈钍夏Ａ亢头逯祽?yīng)力(423.17 GPa 和102 GPa)均比單晶鎂所對(duì)應(yīng)的值(0.49 GPa 和1.7 GPa)要高很多.研究也指出,石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料的楊氏模量和峰值應(yīng)力的影響較小.當(dāng)材料的應(yīng)力達(dá)到第一峰值后,隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大,應(yīng)力急速下降,表明材料進(jìn)入塑性變形階段.在塑性變形階段,純鎂的流動(dòng)應(yīng)力明顯比GR/Mg 復(fù)合材料的平均流動(dòng)應(yīng)力要低,如圖2 所示.也就說是,無論石墨烯嵌入高度如何改變,石墨烯的引入都可以明顯增強(qiáng)金屬鎂的力學(xué)性能,這主要由于石墨烯具有較高的楊氏模量、屈服應(yīng)變和屈服強(qiáng)度.從圖2 也可以觀察到,純鎂和GR/Mg 復(fù)合材料的應(yīng)力達(dá)到第一峰值應(yīng)力之后,隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加,應(yīng)力都重新呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),出現(xiàn)了應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象.在應(yīng)力再次達(dá)到峰值之前,GR/Mg 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合,不依賴于石墨烯的嵌入位置.當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增加,達(dá)到約0.18 時(shí),純鎂和GR/Mg 復(fù)合材料的應(yīng)力均達(dá)到第二次峰值應(yīng)力.在經(jīng)歷一個(gè)較小的應(yīng)力下降之后,所有模型的應(yīng)力均再次開始上升,標(biāo)志著材料又一次進(jìn)入了應(yīng)變強(qiáng)化階段.從圖2可以看出,GR/Mg 復(fù)合材料在該應(yīng)變強(qiáng)化階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著石墨烯嵌入高度的不同開始發(fā)生了偏移.上述研究結(jié)果表明,石墨烯嵌入位置只是在第二峰值應(yīng)力之后才對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料的塑性變形行為有較大的影響.

圖2 GR/Mg 復(fù)合材料和純鎂的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2.The stress-strain curves of GR/Mg composites and pure magnesium.

為了闡明石墨烯在GR/Mg 復(fù)合材料塑性變形過程中所發(fā)揮的作用,圖3 給出了GR0.5/Mg復(fù)合材料在拉伸過程中嵌入石墨烯和鎂基體各部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖3(a)可以看出,鎂基體的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變分別為1.69 GPa 和0.045.然而,嵌入的石墨烯在GR/Mg 復(fù)合材料拉伸過程中的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變大約為93.35 GPa 和0.18,如圖3(b)所示.也就是說,石墨烯的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變均遠(yuǎn)大于鎂基體對(duì)應(yīng)的屈服值.研究發(fā)現(xiàn),嵌入的石墨烯在所施加的應(yīng)變范圍內(nèi)并未出現(xiàn)碳-碳鍵的斷裂.此外,從圖3(b)也可以看出,石墨烯在應(yīng)變達(dá)到0.18 之后,其應(yīng)力趨于一穩(wěn)定的值.因此,GR/Mg 復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)趨勢(shì)主要受鎂基體變形行為的影響,特別是應(yīng)變0.18 以后的塑性變形曲線,這從圖2 也可以看出,單晶純鎂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)與GR/Mg 復(fù)合材料在定性上是一致的.

圖3 GR0.5/Mg 復(fù)合材料在拉伸過程中鎂基體 (a)和嵌入石墨烯 (b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3.The stress-strain curves of magnesium matrix (a)and embedded graphene (b) in the GR0.5/Mg composites.

為了研究石墨烯對(duì)金屬鎂塑性變形行為的影響,圖4 給出了純鎂在不同應(yīng)變下的原子結(jié)構(gòu)圖.圖中FCC 結(jié)構(gòu)原子、BCC 結(jié)構(gòu)原子、HCP 結(jié)構(gòu)原子和其他結(jié)構(gòu)原子分別顯示為綠色、藍(lán)色、紅色和白色.從圖4(a)可以看出,當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.049 時(shí),純鎂中發(fā)生了從HCP 到BCC 結(jié)構(gòu)的相變.這主要是由于在本文中載荷方向平行于純鎂的基面,純鎂初始塑性變形階段難以發(fā)生基面滑移,因此純鎂通過HCP 到BCC 的相變這一過程釋放了局部集中的應(yīng)力,從而導(dǎo)致了應(yīng)力的迅速下降(如圖2 所示),這與An 等[26]的研究結(jié)果是一致的,這也說明純鎂的相變過程是一個(gè)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的過程.隨著應(yīng)變的逐漸增大,在純鎂的局部區(qū)域,越來越多的HCP結(jié)構(gòu)原子轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC 結(jié)構(gòu)原子.當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥?.056 時(shí),此時(shí)HCP→BCC 的相變停止,BCC 相中開始形成與原始基體晶粒取向不同的HCP 結(jié)構(gòu)的新晶粒,如圖4(b)中圈出部分所示,這與Chen等[27]的研究結(jié)果相一致.也就是說,在這個(gè)過程中發(fā)生了BCC→HCP 的相變.隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大,BCC→HCP 的相變持續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致了BCC 結(jié)構(gòu)的原子逐漸消失.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.062 時(shí),BCC 相幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)镠CP 相,新的HCP 相呈現(xiàn)狹長(zhǎng)的帶狀,部分BCC 原子與無序原子結(jié)合組成了新HCP相與基體HCP 相之間的晶界,如圖4(c)所示.在新的HCP 相形成的同時(shí),由于新形成的HCP 相的施密特因子較大,因此在新相中出現(xiàn)了大量不全位錯(cuò)滑移留下的堆垛層錯(cuò)的痕跡[28].此后,晶界不斷運(yùn)動(dòng),新HCP 相的寬度逐漸增加,HCP 基體逐漸消失.當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到0.185 時(shí),新舊晶粒晶界遷移趨于結(jié)束,原始基體逐漸消失,金屬鎂的應(yīng)力此時(shí)達(dá)到第二次峰值,如圖4(d)所示.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.190 時(shí),如圖4(e)所示,晶界相互作用并逐漸消失,導(dǎo)致了部分應(yīng)力的釋放,因此應(yīng)力出現(xiàn)了較小的下降.隨著進(jìn)一步施加載荷,純鎂第二次進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到為0.218 時(shí),新晶粒幾乎完全取代了原始的晶粒,如圖4(f)所示.

圖4 純鎂在不同應(yīng)變下的原子快照?qǐng)D (a) ε=0.049;(b) ε=0.056;(c) ε=0.062;(d) ε=0.185;(e) ε=0.190;(f) ε=0.218Fig.4.The atomic snapshots of pure magnesium under different strains:(a) ε=0.049;(b) ε=0.056;(c) ε=0.062;(d) ε=0.185;(e) ε=0.190;(f) ε=0.218.

正如上文所述,GR/Mg 復(fù)合材料的應(yīng)力達(dá)到第二峰值以后,其流動(dòng)應(yīng)力發(fā)生了偏移.為了研究石墨烯嵌入高度對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料在該階段塑性變形行為的影響,圖5 給出了GR/Mg 復(fù)合材料的平均流動(dòng)應(yīng)力隨著石墨烯嵌入高度的變化曲線.本文定義每個(gè)模型在第二峰值應(yīng)力之后的應(yīng)力平均值為該模型的平均流動(dòng)應(yīng)力.從圖5 可以看出,GR/Mg 復(fù)合材料的平均流動(dòng)應(yīng)力首先隨著石墨烯嵌入高度的增加而增加,當(dāng)嵌入高度達(dá)到0.4L時(shí),GR/Mg 復(fù)合材料平均流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最高,隨后GR/Mg 復(fù)合材料的平均流動(dòng)應(yīng)力又出現(xiàn)了下降趨勢(shì).該研究結(jié)果意味著隨著石墨烯嵌入位置的變化,GR/Mg 復(fù)合材料的鎂基體的塑性變形行為可能發(fā)生了改變.

圖5 GR/Mg 復(fù)合材料的平均流動(dòng)應(yīng)力隨石墨烯嵌入高度的變化曲線Fig.5.The curve of the average flow stress of the GR/Mg composites with different graphene embedded heights.

同純鎂類似,GR/Mg 復(fù)合材料中的鎂基體在塑性變形過程中同樣產(chǎn)生了HCP→BCC 的相變,且隨著拉伸應(yīng)變的增加,BCC 相中會(huì)形成與原始基體晶粒取向不同的新HCP 相.與純鎂不同的是,嵌入的石墨烯將鎂基體沿X軸方向分為上下兩部分,在塑性變形過程中,取向相同的HCP 結(jié)構(gòu)的新晶粒幾乎同時(shí)在兩部分鎂基體中形核,最初生成的HCP 相并未穿透石墨烯,而是在各自部分的鎂基體中擴(kuò)展,這主要是由于嵌入石墨烯的對(duì)相變的阻礙作用[29].為了研究GR/Mg 復(fù)合材料在第二峰值以后的塑性變形行為,圖6(a)—(c)給出了石墨烯嵌入高度分別為0.1L,0.3L,0.5L的GR/Mg 復(fù)合材料在應(yīng)變?yōu)?.177 下的原子快照?qǐng)D,其中每個(gè)圖的上方的圖為俯視圖,下方的圖為側(cè)視圖.圖中FCC 結(jié)構(gòu)原子、BCC 結(jié)構(gòu)原子、HCP 結(jié)構(gòu)原子和其他結(jié)構(gòu)原子分別顯示為綠色、藍(lán)色、紅色和白色.從圖6 可以看出,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.177 時(shí),GR0.1/Mg和GR0.3/Mg 復(fù)合材料上半部分新晶粒還在繼續(xù)擴(kuò)張,而下半部分中相鄰晶界已經(jīng)開始發(fā)生合并,特別是GR0.1/Mg 復(fù)合材料,如圖6(a)圓圈部分所示.然而,GR0.5/Mg 復(fù)合材料上下兩部分新晶粒晶界遷移速度基本一致,如圖6(c)所示.可見,石墨烯嵌入位置對(duì)新晶粒長(zhǎng)大有一定影響,嵌入位置距下表面越近,石墨烯下表面的新晶粒晶界的遷移速度越快.

為了闡明GR/Mg 復(fù)合材料在第二峰值應(yīng)力后平均流動(dòng)應(yīng)力隨石墨烯嵌入高度變化的內(nèi)在機(jī)制,圖6(d)—(f)給出了GR0.1/Mg,GR0.3/Mg,GR0.5/Mg 復(fù)合材料在應(yīng)變?yōu)?.225 時(shí)的原子快照俯視圖,其中每個(gè)圖的上方和下方的圖分別對(duì)應(yīng)于復(fù)合材料中石墨烯上下兩部分鎂基體的原子快照?qǐng)D.如圖6(d)和圖6(e)所示,GR0.1/Mg 和GR0.3/Mg 復(fù)合材料下部分鎂基體中的FCC 堆垛層錯(cuò)比上部分的更為密集.也就是說,復(fù)合材料下部分鎂基體更容易發(fā)生位錯(cuò)的滑移.然而,當(dāng)石墨烯插入高度達(dá)到0.5L時(shí)(此時(shí),上下兩部分鎂基體的尺寸相同),GR0.1/Mg 復(fù)合材料上下部分鎂基體中的FCC 堆垛層錯(cuò)排布基本均勻,且數(shù)量較少,如圖6(f)所示.研究表明,石墨烯不僅對(duì)基體中位錯(cuò)滑移和相變產(chǎn)生阻礙,而且石墨烯嵌入位置還會(huì)影響復(fù)合材料上下兩部分鎂基體的塑性變形難易程度,嵌入的位置距下表面越近,復(fù)合材料下部分越容易發(fā)生位錯(cuò)的滑移.也就是說,GR/Mg 復(fù)合材料下部分鎂基體塑性變形行為對(duì)石墨烯嵌入位置的依賴性是復(fù)合材料平均流動(dòng)應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)折(如圖5 所示)的主要原因.

圖6 GR/Mg 復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的原子快照?qǐng)DFig.6.The atomic snapshots of the GR/Mg composites at different strains.

為了闡明石墨烯與鎂基體之間的相互作用,以GR0.5/Mg 復(fù)合材料為研究對(duì)象,對(duì)其在塑性變形過程中的塑性變形細(xì)節(jié)進(jìn)行了分析.圖7(a)和圖7(b)給出了GR0.5/Mg 復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的位錯(cuò)分析圖.從圖7(a)和圖7(b)可以看到,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.056 時(shí),在鎂基體中的石墨烯界面附近出現(xiàn)了位錯(cuò)的形核和滑移,但隨著應(yīng)變的增加,位錯(cuò)僅在鎂基體的上下兩部分晶體內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并未穿過石墨烯,石墨烯對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)顯示了明顯的阻礙效果.圖7(c)和圖7(d)給出了GR0.5/Mg 復(fù)合材料在不同應(yīng)變下BCC 結(jié)構(gòu)相分布圖.從圖7(c)和圖7(d)可看出,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.051 時(shí),鎂基體上下兩部分中均產(chǎn)生了HCP→BCC 的相變,但基體中產(chǎn)生的BCC 相被石墨烯阻隔,HCP→BCC 的相變同樣只能在各自的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,表明石墨烯對(duì)鎂基體中相變過程具有阻礙作用.應(yīng)該指出的是,GR0.5/Mg 復(fù)合材料在塑性變形過程中,HCP→BCC的相變和位錯(cuò)滑移是同步進(jìn)行的,如圖7 所示.

圖7 GR0.5/Mg 復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)快照?qǐng)D (a) ε=0.056;(b) ε=0.062;(c) ε=0.051;(d) ε=0.056Fig.7.The structure snapshots of the GR0.5/Mg composites at different strains:(a) ε=0.056;(b) ε=0.062;(c) ε=0.051;(d) ε=0.056.

此外,選取石墨烯插入高度為0.5L的模型,研究了石墨烯Y方向的尺寸對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料力學(xué)行為的影響,這里選擇的石墨烯的尺寸分別為5.11 和10.22 nm.圖8 給出了不同石墨烯尺寸的GR0.5/Mg 復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線.研究結(jié)果表明,GR/Mg 復(fù)合材料的楊氏模量、屈服強(qiáng)度和塑性流動(dòng)應(yīng)力均隨著石墨烯尺寸的增大而增大.這一方面是由于高性能石墨烯的含量增大,根據(jù)復(fù)合材料混合定律,GR/Mg 復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)增強(qiáng);另一方面隨著石墨烯尺寸的增大,石墨烯阻礙鎂基體中相變擴(kuò)展和位錯(cuò)滑移的面積越大,從而能夠更好地增強(qiáng)GR/Mg 復(fù)合材料的力學(xué)性能.從圖8 也可以看出,GR/Mg 復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)幾乎相同,不依賴于嵌入的石墨烯的尺寸,也就是說石墨烯尺寸并沒有改變GR/Mg 復(fù)合材料塑性變形機(jī)制.

圖8 不同石墨烯尺寸的GR0.5/Mg 復(fù)合材料及純鎂的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8.The stress-strain curves of the GR0.5/Mg composites with different graphene sizes and pure Mg.

3.2 鎂基體的相變機(jī)制

為了揭示GR/Mg 復(fù)合材料在塑性過程中HCP 和BCC 相之間的相變機(jī)制,圖9 給出了鎂基體HCP→BCC 相變的原理圖.圖9(a)用黑線表示HCP 單位晶格,用紅色原子表示HCP 晶格單元中的上下底面的原子,藍(lán)色原子表示晶胞內(nèi)中間層原子.HCP 結(jié)構(gòu)的(0001)基面按照...ABABAB...的方式堆垛.在加載過程中,基面上的原子首先發(fā)生了重排,晶格夾角從最初的60°轉(zhuǎn)變到70.5°,如圖9(b)和圖9(c)所示.隨后,HCP 結(jié)構(gòu)的基面變形為非等邊六邊形,其中A 層原子被拉伸,而B 層原子向A 層原子運(yùn)動(dòng)形成的菱形中心移動(dòng),最終演變?yōu)锽CC 結(jié)構(gòu)的(110)面,如圖9(d)—(f)所示.復(fù)合材料在塑性變形后期,其第一次相變產(chǎn)物BCC 相的(101)面在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)變?yōu)镠CP 相的(0001)面,從而發(fā)生了HCP→BCC 相變的逆過程(BCC→HCP 相變).為了比較兩次相變導(dǎo)致的鎂基體位向的變化,圖9(g)給出了GR0.5/Mg 復(fù)合材料在應(yīng)變?yōu)?.059 的局部原子結(jié)構(gòu)圖,其中方形框內(nèi)為放大部分為鎂基體中HCP 轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC相的原子圖,圓形框則顯示了BCC 轉(zhuǎn)變?yōu)镠CP相的原子圖.為方便起見,將最初的鎂基體HCP相定義為α1-Mg,HCP→BCC 相變后的BCC 相定義為β-Mg,而將BCC→HCP 相變后的HCP 相定義為α2-Mg.從圖9(g)可以看出,α1-Mg 和β-Mg 的取向關(guān)系為(0001)HCP||(110)BCC,而β-Mg與α2-Mg 的取向關(guān)系為(101)BCC||(0001)HCP,這與An 等[30]的研究結(jié)果一致.因此,GR/Mg 復(fù)合材料經(jīng)過HCP→BCC→HCP 的相變,α2-Mg 新晶粒的基面與原始α1-Mg 基體的基面之間形成了約121.5°的夾角,與拉伸方向形成了58.5°的夾角,因此其施密特因子增大,從而有利于位錯(cuò)的成核與滑移.

圖9 (a)—(f) 鎂基體中HCP→BCC 相變的原理圖;(g) GR0.5/Mg 復(fù)合材料在0.059 應(yīng)變下的原子結(jié)構(gòu)圖Fig.9.(a)–(f) The schematic diagram of phase transformation of HCP→BCC in magnesium matrix;(g) the GR0.5/Mg composite with BCC structure at strain 0.059.

4 結(jié)論

本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了GR/Mg復(fù)合材料在拉伸載荷下的力學(xué)行為,分析了石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料力學(xué)性能和塑性變形行為的影響.研究發(fā)現(xiàn),石墨烯的嵌入顯著提升了金屬鎂的力學(xué)性能,相比于純鎂來說,GR/Mg復(fù)合材料的楊氏模量和第一峰值應(yīng)力分別提高了約27.5%和36.5%,這主要是因?yàn)槭┚哂泻芨叩臈钍夏Ａ亢头逯祽?yīng)力.研究表明,石墨烯嵌入位置對(duì)GR/Mg 復(fù)合材料的楊氏模量和峰值應(yīng)力的影響較小,但會(huì)明顯影響GR/Mg 復(fù)合材料第二峰值應(yīng)力之后的塑性變形行為.GR/Mg 復(fù)合材料塑性變形后期的平均流動(dòng)應(yīng)力首先隨著石墨烯嵌入高度的增加而增加,當(dāng)嵌入高度達(dá)到0.4L時(shí),平均流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最高,隨后又出現(xiàn)了下降趨勢(shì).GR/Mg復(fù)合材料呈現(xiàn)的這種現(xiàn)象可以從石墨烯上下兩部分鎂基體的塑性變形行為得到解釋,當(dāng)石墨烯嵌入高度較小時(shí),GR/Mg 復(fù)合材料的下部分鎂基體塑性變形能力較強(qiáng)(下部分鎂基體中出現(xiàn)了大量不全位錯(cuò)滑移留下的堆垛層錯(cuò)的痕跡),而當(dāng)石墨烯嵌入高度較大時(shí),GR/Mg 復(fù)合材料上下兩部分鎂基體的塑性變形能力相當(dāng),上下兩部分鎂基體趨向于發(fā)生較為同步的塑性變形行為.研究也指出,在本文的載荷條件下,鎂基體在塑性變形過程中均發(fā)生了從HCP 到BCC 再到HCP 結(jié)構(gòu)的相變,且該變形行為不依賴于石墨烯的嵌入位置.最后,本文對(duì)鎂基體的相變機(jī)制也進(jìn)行了詳細(xì)分析.本文所得結(jié)果可為設(shè)計(jì)高性能的石墨烯金屬基復(fù)合材料提供先期的科學(xué)預(yù)測(cè)和有益借鑒.