摘 要

近年来，金属镁及其合金以其相对较低的强度和较差的延展性受到广泛关注。究其原因，这与它们的初始缺陷及其对塑性变形行为的影响有很大关系。密排六方（HCP）结构的金属镁，层错和孪生是其主要的两种塑性变形形式。因此，对基面层错的深入研究对提高金属镁的力学性能十分必要。本文借助分子动力学模拟软件LAMMPS计算了单向拉伸荷载下不同比例基面层错对金属镁主要力学性能和变形行为的影响。模拟结果表明不同比例的基面层错不仅影响着金属镁的极限强度，而且对其变形行为产生显著影响。本文首先模拟了没有任何缺陷金属镁的拉伸性能作为参考，观察缺陷成核及演化过程。然后分别研究不同比例的内禀型和外禀型层错对金属镁的力学性能的影响。发现拉伸强度随内禀型层错比例的增加而下降，随外禀型层错比例的增加而上升，这与其拉伸过程中缺陷成核及演化过程密切相关。本文将为提高金属镁力学性能的其他相关工作提供一定理论参考。

关键词：分子动力学模拟；基面层错；强度；变形行为

Abstract

Magnesium and its alloy have attracted extensive attention due to its relatively low strength and poor ductility in recent years. Tracing origins, which has a considerable relationship with its initial defects and the plastic behaviors which they evolves. Stacking faults and twins are two major plastic mechanism in magnesium which is a typical member of HCP metals. Therefore, in order to improve the mechanical properties of magnesium, the deep research on basal stacking faults is particularly necessary. In this paper, molecular dynamics simulation software LAMMPS was used to investigate the effects of different ratio basal stacking faults on major mechanical properties and deformation behavior of magnesium under tension load. Simulation results indicated that different ratio basal stacking faults has not only effects on its yield strength but also deformation behavior. Firstly, a perfect sample (which has no defects) is taken into consideration. We observe the nucleation and evolution of new defects. Then, different ratio basal stacking faults which consist of two different kinds as intrinsic stacking fault and extrinsic stacking fault are studied respectively. We found that yield strength decrease sharply with the increase of stacking faults ratio during a simulation with a ratio increase of intrinsic stacking fault. On the contrary, yield strength increased when an arising extrinsic stacking fault was applied. which has a close relationship with formation and evolution of defects when tension loads are applied. This work will serve as a considerable reference to the research on improving mechanical properties of magnesium.

Key Words：Molecular Dynamic Simulation；Basal Stacking Faults；Strength ; Deformation behavior

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

1.4 预期目标 2

第2章 分子动力学模拟 3

2.1 分子动力学模拟基本理论 3

2.1.1 分子动力学模拟的发展和应用 3

2.1.2 分子动力学模拟步骤 3

2.2 积分算法 4

2.2.1 Verlet算法 4

2.2.2 蛙跳法 5

2.2.3 速度Verlet算法 5

2.3 控温控压技术 6

2.3.1 恒温下分子动力学模拟 6

2.3.1.1 速度标定法 6

2.3.1.2 Andersen法 6

2.3.1.3 Nose-Hoover法 7

2.3.2 恒压下分子动力学模拟 7

2.4 应力应变的计算 8

第3章 结果与讨论 9

3.1 模型与模拟方法 9

3.2 含内禀型层错镁纳米柱的拉伸模拟 10

3.2.1 含一层内禀型层错模型的拉伸 10

3.2.2 含不同比例内禀型层错模型的拉伸 12

3.3 含外禀型层错镁纳米柱的拉伸模拟 14

3.3.1 含一层外禀型层错模型的拉伸 14

3.3.2 含不同比例外禀型层错模型的拉伸 16

3.4 本章小结 18

第4章 结论与展望 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

研究背景

近年来，金属镁及其合金凭借其储量高（约占地壳质量的2%，海水质量的0.14%）、密度低（密度为，约为钢的2/9，钛的2/5，铝的2/3）、可铸性好、易回收等特性吸引了广泛的关注。据报道，我国更是世界上镁资源最丰富的国家，储量居世界首位，已探明的菱镁矿石保有储量30.09亿吨，约占世界探明储量的1/4，但我国的镁工业还处于相对落后阶段^[1]。随着新世纪的到来，工业产品轻量化的追求不断提高，国际国内镁产品市场开发应用空间进一步扩大，作为21世纪的“绿色”材料，镁资源将发挥更重要作用^[2,3]。然而镁及其合金的应用因其较低的强度和延伸性受到极大的限制，而这都与它的初始形变机理相关，因此对镁及其合金变形的研究备受欢迎。作为密排六方（HCP）结构金属的典型代表，镁的结构符号为A3,空间群，晶体产生塑性变形的两种主要方式为滑移和孪生，这些与温度有莫大的关系。当处于25℃时，金属镁的晶格常数为。对于HCP金属，通常密排面为它的基面，因此一般情况下主滑移面是它的基面。但这不是绝对的，研究发现^[4]HCP结构的密排程度是随轴比（）值的变化而变化的，当轴比值时，基面不再是唯一的密排面，{}棱柱面或棱锥面{}具有相同的密排程度，甚至超过基面。就一般情况来说，晶体滑移方向不随晶体温度和成分而变化，但滑移面却随温度和合金成分的不同有所变化。室温下镁的主要滑移面仍然为它的基面。因此探究基面层错对金属镁的变形行为和力学性能的影响显得尤为重要。

1.2国内外研究现状