镁及其合金近年来以其丰度高（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。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。同时因为作为密排立方（HCP）金属，镁的滑移系数量有限，孪晶在密排六方金属变形机制中起到很重要的作用。作为孪晶的重要组成部分，孪晶界在镁的微结构演化中同样起到了至关重要的作用。纳米孪晶金属的出现开辟了一个了令人兴奋的崭新的研究领域，近年来受到广泛的关注。纳米孪晶结构是一种在纳米晶中引入一系列相互平行的孪晶界的薄片结构。在体心立方晶体、面心立方晶体及密排六方晶体实验中普遍观察到这种特殊的结构。随后纳米孪晶结构被广泛引入块体、薄膜以及纳米线用以提高材料的强度和韧性。

目前对于镁的应用主要受限于强度和延展性，相关的研究也主要集中于此。Jian等人的研究^[6]表明，经过传统热轧生产、T4处理的Mg-8.5Gd-2.3Y-l.8Ag-0.4Zr(wt%)合金随轧制厚度缩减量的增加，其屈服强度得到提高而伸长率保持在中等水平，这是由于其相邻层错面距离减小所致； Zu等人研究了不同晶格取向的镁单晶初始塑性变形行为^[2]。结果表明，载荷与方向的夹角影响镁的初始塑性变形和演化，当时，拉伸荷载下出现基面层错，时压缩荷载下也出现了基面层错，其他取向的变形机制还涉及到锥面孪晶、基面/柱面的转换、锥面位错、剪切带等；Song等人研究了镁的孪生行为^[7],结果表明纳米级孪晶镁孪生区域的厚度对镁的屈服强度和杨氏模量有极大影响；李阜徽等人通过第一性原理计算研究了纯镁中四种典型基面层错之间相互转换过程的难易程度。结果表明同一转换机制正逆转换过程的难易程度不一样，转化机制的实现过程相比困难，类似的层错结构转化为时的滑移过程相对比较困难；再者我们知道与常规FCC金属（如Al和Cu）相比，金属镁的滑移系少是限制其变形行为的重要原因。这些研究^[4-15]均表明层错与金属镁的力学性能有极大联系。因此，为提高金属镁的力学性能。

2. 研究的基本内容与方案

（1）基本内容：

本项目所研究的是含孔洞的纳米孪晶镁的塑性变形机制，首先需要建立含孔洞的纳米孪晶镁模型；紧接着要学会并使用分子动力学软件LAMMPS模拟模型的加载过程；最后根据所做出的数据和变形曲线分析纳米孪晶镁柱在加载过程中的变形行为以及加载方向对其变形行为的影响。最后综合多个加载数据的结果进行分析和汇总，最终得到纳米孪晶镁塑性变形行为。

（2）技术方案和路线：

本文将采用分子动力学方法模拟具有孔洞的含孪晶界的纳米孪晶镁在荷载作用下的演化过程，观察其表现出的初始塑性行为。选用EAM势描述原子间的相互作用。此时要考虑两种典型的孪晶界：{10-12}lt;10-11gt;拉伸孪晶界和{10-11}lt;10-1-2gt;压缩孪晶界。通过分析应力应变曲线获得模型的屈服强度，继而分析得到孪晶界密度对镁纳米柱的屈服强度的影响。为了深入的了解，对含不同数量纳米孪晶界的镁纳米柱的微观构型的演化进行细致分析以揭示其变形机制。拉伸孪晶界发挥着缺陷源的作用，而含拉伸孪晶界的镁柱屈服机制为基面位错成核和拉伸孪晶成核，它们均发生在镁柱表面而非孪晶界处。压缩孪晶界抑制缺陷的成核，因而导致屈服强度的提升。

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[2]Zu Q,Guo Y F, Xu S, et al. Molecular Dynamics Simulations of the Orientation Effecton the Initial Plastic Deformation of Magnesium Single Crystals[J]. ActaMetallurgica Sinica, 2016, 114(3):301-312.

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