張博佳 安敏榮 胡騰 韓臘

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

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽為21 世紀(jì)的“綠色工程材料”,具有廣闊的應(yīng)用前景.晶體-非晶雙相納米鎂材料更是表現(xiàn)了優(yōu)異力學(xué)性能,但是晶體中位錯與非晶相的相互作用機制尚不明確.本文采用分子動力學(xué)模擬方法研究了剪切載荷作用下納米晶鎂中刃位錯與非晶相的相互作用機制.研究結(jié)果表明,納米晶鎂中非晶相與位錯的相互作用機制表現(xiàn)出一定的尺寸依賴性.相較于非晶相尺寸較小的樣品,較大的非晶相尺寸會導(dǎo)致較大的二次應(yīng)力強化現(xiàn)象.非晶相和位錯的作用機制主要歸結(jié)為非晶相對位錯的釘扎作用.對于非晶相尺寸較小的樣品,非晶相對位錯的釘扎作用有限,釘扎時間較短,其相互作用主要是位錯繞過非晶相的機制;而對于非晶相尺寸較大的樣品,非晶相對位錯的釘扎作用較大,釘扎時間較長,其相互作用主要是非晶相引發(fā)的位錯的交滑移機制.本文的研究結(jié)果對于設(shè)計和制備高性能的鎂及其合金材料具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義.

1 引言

鎂合金作為實際應(yīng)用中質(zhì)量最小的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有高比強度和比彈性模量、良好的阻尼減震特性、優(yōu)異的抗沖擊性等特點,在航空航天、汽車、化工和電子等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用[1?3].尤其是航空航天飛行器對于其結(jié)構(gòu)材料更是“克克計較”,作為在飛行器結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用較為廣泛的鎂合金,人們嘗試各種方法來增強鎂合金的力學(xué)性能,二相粒子強化也被應(yīng)用來改善鎂合金的力學(xué)性能.例如,Wu 等[4]通過磁控濺射法將直徑約6 nm 的MgCu2晶粒均勻地嵌入約2 nm 厚的富含鎂的無定形殼(非晶)中,生產(chǎn)獲得具有非晶-納米晶雙相結(jié)構(gòu)的鎂基超納尺寸雙相復(fù)合材料.研究表明該雙相材料的強度是3.3 GPa,接近于其理論強度.作者所在課題組利用分子動力學(xué)(molecular dynamics,MD)方法研究了一系列晶體-非晶雙相鎂合金的力學(xué)性能[5?9],研究表明,通過合理的調(diào)控晶體相和非晶相的比例和厚度,可以有效地改善鎂合金的力學(xué)性能.而這些優(yōu)越的力學(xué)性能是和晶體中位錯與非晶相的相互作用密不可分的.

第二相強化和固溶強化是金屬材料重要的強化機制,其增強金屬材料的根本在于第二相粒子或溶質(zhì)原子對晶體材料中位錯運動的阻礙[10?13].因此,明確晶體中位錯與溶質(zhì)原子和第二相粒子的相互作用對于研究金屬材料的強化機制非常有必要.許多學(xué)者對位錯與第二相展開了進一步研究[14?20].Li 等[14]研究了剪切載荷作用下碳化硅顆粒對銅基納米復(fù)合材料中位錯的阻礙作用引發(fā)的強化機制.研究表明,碳化硅粒子的增強機制主要是Orowan環(huán)的位錯繞過機制.碳化硅顆粒尺寸較大,由熱激活和尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的脫釘應(yīng)力和脫釘應(yīng)變越高,碳化硅顆粒增強的銅基復(fù)合材料的強化效果越強.Bryukhanov[15]研究了不同Ni 含量的Cu-Ni 固溶體合金中刃位錯的運動機制.研究表明,在中應(yīng)力區(qū),Ni 原子阻礙了刃位錯的運動,因此位錯速度隨Ni 含量的增加而降低,這是因為閾值應(yīng)力隨著鎳濃度的增加而增加.在高應(yīng)力區(qū),鎳原子則具有相反的效果,位錯速度隨鎳含量的增加而增加.Cepeda-Jimenez 等[16]研究了鎂合金中基體位錯與析出相的相互作用,研究表明高溫時二相粒子硬化的原因主要是析出相被基面位錯剪切;高溫時位錯與析出相的作用機制則依賴于加載模式:在拉伸載荷下,基面滑移局部化增強導(dǎo)致了粗滑移痕跡與二相粒子界面處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致析出物斷裂;在壓縮載荷下,基底滑移分布更加均勻,二相粒子剪切占主導(dǎo)地位.Alizadeh 和LLorca[17]研究了Mg-Zn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)合金中位錯與析出相的相互作用,研究表明,變形初期主要是Orowan模型,也就是位錯在析出物周圍的彎曲;隨后的變形主要是析出相的剪切占主導(dǎo)地位,棒狀析出物轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙铑w粒,從而導(dǎo)致滑移帶的形成.Huang 等[18]研究Mg-Nd 合金中析出物時發(fā)現(xiàn),在合金中的約束區(qū)域基體中的位錯會塞積在析出相的周圍.只有當(dāng)位錯塞積強度足夠大時,位錯才會以β1析出相的形式滑移出去.Esteban-Manzanares 等[19]采用MD模擬方法研究了鎂合金中基面位錯與MgZn2析出相的相互作用.他們的研究結(jié)果指出,位錯最初是通過形成穿透析出相的Orowan 環(huán)來克服沉淀物的.在幾個Orowan 環(huán)堆積之后,析出相被剪切.隨著析出物橫截面的減小和溫度的升高,剪切析出相所需的Orowan 環(huán)數(shù)減少,并且與析出相間距無關(guān).析出物剪切并沒有沿著明確的晶體學(xué)平面發(fā)生,而是由析出物中的彈性能累積觸發(fā)的.綜上所述,位錯與第二相的作用機制主要集中在位錯在二相粒子周圍形成的Orowan 環(huán)、二相粒子被位錯剪切和位錯在二相粒子周圍的塞積機制等.近年來,高性能晶體-非晶雙相納米合金材料的成功制備,引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注.然而,雙相合金在變形過程中,位錯與非晶相之間的相互作用機制是否和上述機制一致,尚不清楚,急需進一步揭示.

在過去幾十年的研究中,人們一直嘗試?yán)脤嶒灥氖侄斡^察和研究位錯的運動,以及位錯和晶體中缺陷的相互作用,并取得了豐碩的成果[21?23].然而,受到現(xiàn)代電子和光學(xué)顯微等技術(shù)的限制,人們往往很難從實驗上直接觀測到變形過程中材料微觀結(jié)構(gòu)演化的細(xì)節(jié)與規(guī)律.而近年來MD 模擬方法的發(fā)展則為這些問題的研究開辟了一條新途徑,該方法可以從微觀角度上重現(xiàn)位錯與晶體中缺陷的相互作用.MD 模擬方法以經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)為基礎(chǔ),利用計算機數(shù)值求解分子體系經(jīng)典力學(xué)運動方程的方法得到體系的相軌跡,并統(tǒng)計體系的結(jié)構(gòu)特征與性質(zhì),已成為連接實驗和理論的橋梁,在生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[24?27].鑒于此,本文主要采用分子動力學(xué)模擬方法,研究鎂晶體中刃位錯和非晶相的相互作用機制.研究表明,非晶相的引入增加了納米晶鎂的剪切強度.納米晶鎂中的位錯和非晶相的相互作用機制受到非晶相尺寸的極大影響.本文的研究結(jié)果對于設(shè)計高性能的鎂合金和推動其應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用.

2 模擬方法和模擬過程

本文在鎂合金中引入刃位錯及柱狀非晶相,并利用分子動力學(xué)模擬方法對位錯與非晶相作用機制進行研究.首先構(gòu)建16.5 nm× 31.3 nm× 14.8 nm的納米單晶鎂模型,其三維方向分別是隨后,通過在Z方向中點位置的{0001}面上去掉半原子面的方式引入刃位錯,其中層錯 的寬度為2.8 nm.最后,在距 離該位錯14 nm 的位置引入非晶相柱體,如圖1 所示.其中,非晶柱體選用Mg20Al80非晶合金.非晶相柱體的制作過程包含以下步驟:1)構(gòu)建包含6400 個鎂原子和 25600 個鋁原子Mg20Al80晶體模型,并將該模型在1200 K 下加熱60 ps,形成液態(tài)非晶;2)隨后以2 × 108K/s 的冷卻速率迅速將液體驟冷至50 K;3)在50 K 的溫度弛豫60 ps 以消除系統(tǒng)熱波動,最終制備出非晶相.這一過程中在X,Y,Z方向上均施加周期性邊界條件.通過對其徑向分布函數(shù)(radial distribution functions,RDFs)進行觀察發(fā)現(xiàn),RDF 第二峰出現(xiàn)分裂,這表明其結(jié)構(gòu)為短程有序,是典型的非晶體形態(tài)[28].在研究過程中改變非晶柱體的直徑分別為1.6,2.0,4.0 和6.0 nm.

圖1 剪切變形過程中位錯與非晶柱體相互作用示意圖Fig.1.Schematic of interaction between dislocation and amorphous nanopillar under shear deformation.

構(gòu)建好上述模型后,在NPT 系綜下弛豫40 ps以消除界面效應(yīng),使其達(dá)到平衡狀態(tài).剪切過程中下三層原子保持固定,與此同時向上三層原子施加剪切應(yīng)變,只計算中間部分牛頓原子的受力,從而實現(xiàn)在{0001}面上的滑移.在此過程中,沿X,Y方向施加周期性邊界條件,沿Z方向施加自由邊界條件.模擬過程中應(yīng)用NVT 系綜,時間步長設(shè)為2 fs.為了消除原子的熱運動效應(yīng),模擬溫度選取10 K,并使用Nose-Hoover 恒溫器[28]控制溫度.在分子動力學(xué)模擬中勢函數(shù)的準(zhǔn)確與否,將直接影響計算結(jié)果的精確度.本文采用 Liu 等[29]開發(fā)的嵌入原子勢來描述 Al-Al,Mg-Al 和 Mg-Mg之間的相互作用.選取的應(yīng)變率為5×108s–1.本文使用LAMMPS [30]軟件進行模擬并通過OVITO[31]對結(jié)果進行可視化和分析.利用公共近鄰分析法(common neighbor analysis,CNA)[32]分析晶體中晶體結(jié)構(gòu)和缺陷類型,采用位錯提取法(dislocation extraction algorithm,DXA)[33]識別位錯的類型.在使用CNA 分析晶體結(jié)構(gòu)時,用綠色代表FCC結(jié)構(gòu)原子,紅色代表HCP 結(jié)構(gòu)原子,白色代表無序結(jié)構(gòu)原子.

3 結(jié)果與討論

為了更進一步探討雙相鎂合金中位錯與非晶相互作用時位錯機制轉(zhuǎn)變的臨界尺寸,在2.0—4.0 nm范圍內(nèi),又計算了非晶相尺寸分別為2.8,3.0,3.3,3.6 nm 的模型來確定位錯從繞過機制轉(zhuǎn)換為交滑移機制的臨界尺寸.研究表明,在2.8 nm,3.0 nm(圖9)及3.3 nm(圖10)的模型中位錯與非晶相的作用機制為繞過機制,而在3.6 nm 的模型中,位錯與非晶相的作用機制為非晶相引發(fā)的擴展位錯的交滑移機制(圖11).因此推斷,位錯與非晶相之間的作用機制從繞過機制轉(zhuǎn)換為交滑移機制的臨界尺寸在3.3—3.6 nm 之間.

圖2 含有不同非晶相尺寸和不含非晶相的納米晶鎂的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2.Shear stress-strain curves of the nanocrystalline Mg with different amorphous nanopillar sizes and without amorphous nanopillar.

云南省應(yīng)用沼肥種植茶葉的可行性分析………………… 雷雅婷，胡 涵，王翠仙，尹 芳，王昌梅，趙興玲，吳 凱，張無敵（125）

圖3 不含非晶相的樣品在不同剪切應(yīng)變下的變化過程 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時YZ 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時XY 面視圖Fig.3.The evolution process of the sample without amorphous nanopillar at different shear strains:(a)–(f) View of YZ plane;(a1)–(f1) view of XY plane.

為了說明圖5(f1)中類螺位錯的形成機制,圖6給出了其具體形貌和形成過程.實際上,刃位錯的交滑移是不可能發(fā)生的.在剪切力作用下,初始的擴展位錯(刃位錯)沿著基面滑移,當(dāng)遇到非晶相時,擴展位錯運動受阻,其前位錯和后位錯兩個偏位錯束集成一個全位錯—該位錯是一個全螺位錯.隨后,該螺位錯發(fā)生如下分解反應(yīng):

圖4 非晶相尺寸為1.6 nm 的樣品在不同剪切應(yīng)變下的變化過程 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時YZ 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時XY 面視圖Fig.4.The evolution process of the sample with amorphous nanopillar size of 1.6 nm at different shear strains:(a)–(f) View of YZ plane;(a1)–(f1) view of XY plane.

圖5 給出了非晶相尺寸為4.0 nm 的樣品在不同剪切應(yīng)變時的變化過程(為了方便觀測,圖中去掉了密排六方結(jié)構(gòu)原子).從圖5 可以看出,在剪切載荷加載的伊始,含有非晶相的納米晶鎂經(jīng)歷了彈性變形,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.30%時,刃位錯開始向前滑移.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.81%時,非晶相對刃位錯呈現(xiàn)出一定吸引作用,如圖5(a)所示,這對應(yīng)了應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值.隨著應(yīng)變不斷繼續(xù),非晶相不斷吸引刃位錯向前運動,前位錯和后位錯先后到達(dá)非晶相界面,而應(yīng)力應(yīng)變曲線則達(dá)到波谷,如圖5(b),(c)所示.在剪切載荷作用下,刃位錯被非晶相釘扎住,前位錯和后位錯以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2.94%時,前后位錯都已離開非晶相,但在非晶相表面仍殘留部分位錯的拖尾,如圖5(d)所示.當(dāng)刃位錯穿過非晶相后,非晶相被刃位錯切斷,且被刃位錯切斷的上半部分和下半部分產(chǎn)生了一定的位移偏差,非晶相產(chǎn)生一定的扭折.而上述位錯的拖尾在剪切作用下逐漸長大,并和先前弓出的前后位錯匯合形成了類螺位錯[14],如圖5(e),(f)所示.

為了研究非晶相尺寸較小時位錯與其作用機制,圖4 選取了非晶相尺寸為1.6 nm 的樣品在不同剪切應(yīng)變時的變化過程作為代表(為了方便觀測,圖中去掉了密排六方結(jié)構(gòu)原子).在剪切載荷加載的伊始,含有非晶相的納米晶鎂經(jīng)歷了彈性變形,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.2%附近時,刃位錯開始向前滑移.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.81%時,應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到應(yīng)力峰值,非晶相對刃位錯表現(xiàn)出顯著的吸引力,如圖4(a)所示.隨著應(yīng)變不斷增大,非晶相不斷吸引刃位錯向前運動.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.06%時,前位錯到達(dá)非晶相界面,而應(yīng)力應(yīng)變曲線則達(dá)到波谷.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.17%時,后位錯也到達(dá)非晶相界面,而前位錯則開始以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出,如圖4(c),(d)所示.在此過程中,非晶相將刃位錯釘扎住.當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.73%時,前位錯已離開非晶相,弓出的Orowan 位錯環(huán)也恢復(fù)成前位錯,而后位錯也是以位錯環(huán)的形式不斷弓出.這與文獻[19,34?36]的結(jié)論是一致的.當(dāng)應(yīng)變增大到2.05%時,后位錯也開始離開非晶相表面,此時圖2 所示應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)力也開始跌落,如圖4(d),(e)所示.這就意味著,正是由于非晶相對刃位錯的釘扎作用引發(fā)了圖2 中應(yīng)力應(yīng)變曲線中的應(yīng)力不斷上升.隨著應(yīng)變增大至2.11%,后位錯已完全離開非晶相,弓出的Orowan 環(huán)也恢復(fù)成后位錯,如圖4(e),(f)所示.

圖2 表明在應(yīng)變?yōu)?.2%附近,含有非晶相的納米晶鎂出現(xiàn)了應(yīng)力波谷,其后隨著應(yīng)變的增大,應(yīng)力也逐漸增大,即出現(xiàn)了二次強化現(xiàn)象.但是對于非晶相尺寸較小的樣品,應(yīng)力增大的幅度較小(1.6 nm 樣品在0.1 GPa 附近,2.0 nm 樣品在0.08 GPa 附近),但是對于非晶相尺寸較大樣品,應(yīng)力增加的幅度較大(4.0 nm 樣品在0.2 GPa 附近,6.0 nm 樣品在0.23 GPa 附近).為了解釋這種現(xiàn)象,統(tǒng)計了不同非晶相尺寸的樣品中,非晶相對位錯的釘扎時間,即從前位錯開始接觸非晶界面到后位錯離開非晶相的時間,如圖7 所示.從圖7 中看出,隨著非晶相尺寸的增大,非晶相對位錯的釘扎時間也在逐漸延長.當(dāng)非晶相尺寸為1.6 nm 時,其對位錯的釘扎時間為18 ps,而當(dāng)非晶相尺寸增大到6.0 nm 時,其對位錯的釘扎時間高達(dá)48 ps.當(dāng)位錯的運動被非晶相所阻礙,其周圍的能量開始升高,這就表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變曲線中的應(yīng)力上升現(xiàn)象.對于非晶相尺寸較小的樣品,位錯遇到非晶相后,前位錯首先弓出后后位錯弓出.前位錯離開非晶相恢復(fù)成初始的不全位錯,隨后后位錯也離開非晶相恢復(fù)成初始的不全位錯.該過程可以稱為位錯繞過非晶相的機制,如圖8(a)所示.此過程中,非晶相對位錯的釘扎作用有限,所以其釘扎時間也較短,就導(dǎo)致了圖2中應(yīng)力上升的幅度較小.對于非晶相尺寸較大的樣品,位錯遇到非晶相后開始束集成一個螺位錯并發(fā)生了位錯的交滑移.前后位錯滑移出初始的滑移面后,通過位錯沿著錐面交滑移到新的(0001)面上.隨后不同的位錯在各自的滑移面上繼續(xù)運動.該過程可以稱為非晶相引發(fā)的擴展位錯的交滑移機制[14],如圖8(b)所示.此過程中,非晶相對位錯的釘扎作用較大,所以其釘扎時間也較長,就導(dǎo)致了圖2 中應(yīng)力上升的幅度較大.此外,圖2 也表明在應(yīng)變?yōu)?.02 時,2.0 nm 直徑的非晶相的位錯剪切應(yīng)力比1.6 nm的小.這是由于當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.02 附近時,對于1.6 nm的模型,第二位錯正在與非晶相相互作用,非晶相被破壞,位錯被釘扎在非晶相周圍,非晶相對位錯的拖拽作用較大.而對于2.0 nm 的模型,此時位錯已克服非晶相的阻礙作用并以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出,此時位錯已經(jīng)不再被非晶相釘扎.因此為了克服非晶相則需要更大的力來對抗非晶相對位錯的阻礙,故在此應(yīng)變附近,1.6 nm 的剪切應(yīng)力稍高于2.0 nm.

即在基面上全位錯可分解成兩個肖克萊不全位錯,其中兩肖克萊不全位錯的柏氏矢量同全位錯的柏氏矢量之間呈±30°角.隨著這兩個肖克萊不全位錯離開,非晶相表面又生成了全位錯—該位錯沿著錐面滑移,交滑移到新的(0001)上后又發(fā)生(1)式中的位錯分解,即分解為兩個不全位錯和層錯,層錯寬度分別為2.5 nm和 2.6 nm,這兩個不全位錯形成的擴展位錯在(0001)面上繼續(xù)滑移.這也意味著初始擴展位錯的寬度和交滑移后層錯寬度是類似的.圖6(b)展示了位錯提取算法分析出的位錯結(jié)構(gòu)圖,圖6(c)展示了擴展位錯在初始和交滑移后{0001}面上的擴展位錯細(xì)節(jié)示意圖,以及位錯的細(xì)節(jié)圖.由圖6(c)可知,初始由和形成的擴展位錯在遇到非晶相障礙物后,通過束集成位錯后沿著錐面交滑移到新的(0001)面上,隨后又分解成新的擴展位錯,從而實現(xiàn)位錯和非晶相的相互作用.上述交滑移過程和Li 等[14]的研究結(jié)果類似.

圖6 圖5(f1)中類螺位錯的細(xì)節(jié)圖 (a)圖5(f1)中類螺位錯的具體形貌圖,d 代表層錯寬度;(b) DXA 分析出的位錯結(jié)構(gòu)圖;(c)擴展位錯交滑移的細(xì)節(jié)圖Fig.6.The details of the like-screw dislocation shown in Fig.5(f1):(a) The specific morphologies of like-screw dislocation;(b) dislocation structure analyzed by DXA method;(c) the cross-slip details of the extended dislocation.

小學(xué)科學(xué)強調(diào)以探究性教學(xué)為核心，要想保證教學(xué)的效果，就必須要為學(xué)生提供探究的機會，鼓勵學(xué)生在探究過程中體會學(xué)習(xí)的樂趣，培養(yǎng)思考能力和動手能力，從而更好的應(yīng)用科學(xué)知識來解決生活中遇到的各種問題。例如，在對“保護環(huán)境”一課進行教學(xué)時，教師即使長篇大論的說明環(huán)境污染的嚴(yán)重性，并以數(shù)據(jù)來證實保護環(huán)境的迫切性，但對身處農(nóng)村和西部農(nóng)業(yè)區(qū)域的學(xué)生而言，不會有任何的感觸；對東部發(fā)達(dá)城市和沿海沿江城市的學(xué)生而言，缺水問題同樣是一個難以理解的問題。因此，教師可以鼓勵學(xué)生自主分組，然后利用計算機訪問相應(yīng)的環(huán)保網(wǎng)站，對資料進行收集和對比，使其切身感受到環(huán)境保護的迫切性。

為了研究非晶相尺寸對于納米晶鎂中非晶相與位錯的相互作用機制的影響,圖3 給出了不含有非晶相時納米晶鎂中刃位錯的運動機制作為對照實驗(為了方便觀測,圖中去掉了密排六方結(jié)構(gòu)原子).從圖3 可以看出,在剪切載荷加載的伊始,納米晶鎂經(jīng)歷了彈性變形,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.17%時,位錯開始運動,這就意味著該刃位錯從此刻開始開啟,其開啟的剪切應(yīng)力為0.024 GPa.隨后,在剪切載荷的作用下,擴展位錯在納米晶鎂中不斷運動,如圖3(b)—(f)所示.而晶格的周期性則引發(fā)了應(yīng)力的周期性小幅度漲落,如圖2 所示.

圖7 不同非晶相尺寸的樣品中,非晶相對位錯的釘扎時間Fig.7.The variation of pinning time versus amorphous nanopillar size.

圖8 位錯與非晶相的作用機制 (a)非晶相尺寸較小時的位錯繞過機制;(b)非晶相尺寸較大時的擴展位錯交滑移機制Fig.8.The interaction mechanism of the dislocation and the amorphous phase:(a) The dislocation bypass mechanism for the sample with small amorphous nanopillar size;(b) the cross-slip mechanism of extended dislocation for the sample with larger amorphous nanopillar size.

圖2 所示為含有不同非晶相尺寸和不含非晶相的納米晶鎂的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖2 可以看出,對于含有和不含非晶相的納米晶鎂,應(yīng)力都隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)線性增加的趨勢.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.17%附近時,應(yīng)力呈波動狀的緩慢增大直至首個應(yīng)力峰值,而這是由于派納力引發(fā)的.當(dāng)鎂合金中的位錯在其基體中移動時,會由一個對稱位置移動到另一個對稱位置.在這些位置上,位錯處在平衡狀態(tài),能量較低.而在對稱位置之間移動時,能量會增高,造成位錯移動的阻力.因此,在此過程中會有力的周期波動.對于不含有非晶相的納米晶鎂而言,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.9%時應(yīng)力達(dá)到了首次峰值,隨著應(yīng)變的進一步增大,應(yīng)力在0.05 GPa 附近周期性的波動.當(dāng)非晶相尺寸較小時,例如1.6 nm和2.0 nm 的樣品,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.9%時應(yīng)力到達(dá)峰值,隨著應(yīng)變的進一步增大,應(yīng)力開始逐漸跌落,而后應(yīng)力開始增大至峰值(1.6 nm 樣品在0.1 GPa附近,2.0 nm 樣品在0.08 GPa 附近),呈現(xiàn)出一定的二次強化現(xiàn)象.當(dāng)應(yīng)變大于2%時,應(yīng)力又開始跌落.隨著剪切加載繼續(xù),應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)不斷的漲落.當(dāng)非晶相尺寸較大時,例如4.0 nm 和6.0 nm的樣品,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.9%時應(yīng)力到達(dá)峰值,隨著應(yīng)變的進一步增大,應(yīng)力出現(xiàn)短暫的下落.隨后應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加直至較大的峰值應(yīng)力(4.0 nm 樣品在0.2 GPa 附近,6.0 nm 樣品在0.23 GPa 附近)后呈現(xiàn)應(yīng)力跌落.這與非晶相尺寸較小的樣品不同,較大的非晶相尺寸的樣品應(yīng)力表現(xiàn)出更大的二次強化現(xiàn)象.此外,相較于不含非晶相的樣品,非晶相的引入引發(fā)了應(yīng)力的二次強化現(xiàn)象,并且納米晶鎂中非晶相與位錯的相互作用表現(xiàn)出一定的尺寸依賴性.為了解釋剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)的這種有趣的現(xiàn)象,下文將從尺寸效應(yīng)的角度闡明納米晶鎂中非晶相與位錯的相互作用機制.

蒸汽低溫烹飪對烤雞翅水分的影響如圖1所示。結(jié)果顯示，真空低溫組(SV 70+Roast、SV 70+Roast和SV 70+Roast)烹飪的雞翅水分含量較高，但差異性不顯著(p>0.05)。蒸汽低溫烹飪可以減少蒸煮損失，保留食物的原味和色澤，食物口感嫩滑[5，6]。與水分分析結(jié)果一致，經(jīng)過真空低溫烹飪的雞翅的總體得分顯著高于直接燒烤組。

排除標(biāo)準(zhǔn):需排除合并糖尿病酮癥酸中毒患者；排除合并精神疾病的患者；排除合并其他心腦血管病變患者；排除相關(guān)藥物過敏史患者[3]。

圖9 非晶相尺寸為3.0 nm 的樣品與位錯的相互作用的過程 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時XY 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時YZ 面視圖Fig.9.The evolution process of the sample with amorphous nanopillar size of 3.0 nm at different shear strains:(a)–(f) View of XY plane;(a1)–(f1) view of YZ plane.

圖10 非晶相尺寸為3.3 nm 的樣品與位錯的相互作用 (a)—(f)不同剪切應(yīng)變時XY 面視圖;(a1)—(f1)不同剪切應(yīng)變時YZ 面視圖Fig.10.The evolution process of the sample with amorphous nanopillar size of 3.3 nm at different shear strains:(a)–(f) View of XY plane;(a1)–(f1) view of YZ plane.

總結(jié)而言,非晶相和位錯的作用機制主要歸結(jié)為非晶相對位錯的釘扎作用.對于非晶相尺寸較小的樣品,非晶相對位錯的釘扎作用有限,釘扎時間較短,其相互作用主要是位錯繞過非晶相的機制;而對于非晶相尺寸較大的樣品,非晶相對位錯的釘扎作用較大,釘扎時間較長,其相互作用主要是非晶相引發(fā)的擴展位錯的交滑移機制.此外,位錯從繞過機制轉(zhuǎn)換為交滑移機制的臨界尺寸介于3.3—3.6 nm 間.

4 結(jié)論

本文采用分子動力學(xué)模擬方法研究了剪切作用下不同非晶相尺寸與位錯的相互作用機制.研究表明,非晶相的引入增加了納米晶鎂的剪切強度,并且不同非晶相尺寸與位錯作用的機制不同.當(dāng)非晶相尺寸較小時(1.6,2.0,2.8,3.0,3.3 nm),位錯被非晶相所阻礙以O(shè)rowan 環(huán)的形式弓出并離開非晶相表面,最終恢復(fù)成刃位錯;當(dāng)非晶相尺寸較大時(3.6,4.0 和6.0 nm),位錯遇到非晶相后開始束集成一個螺位錯并發(fā)生了位錯的交滑移.前后位錯滑移出初始的滑移面后,通過1/3[110]位錯沿著{101}錐面交滑移到新的(0001)面上并在各自的滑移面上繼續(xù)運動.非晶相與位錯相互作用機制的轉(zhuǎn)變臨界尺寸在3.3—3.6 nm 間.此外,相較于較小的非晶相尺寸,非晶相尺寸較大的樣品表現(xiàn)出更大的二次強化現(xiàn)象,這主要歸因于尺寸較大的非晶相對于位錯的釘扎時間更長.本文的研究結(jié)果對于設(shè)計高性能的鎂合金和推動其應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用.