利用分子动力学模拟研究凹槽几何形状和温度对Al-Mg合金力学性能的影响

《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Influence of Notch Geometry and Temperature on the Mechanical Properties of Al-Mg Alloy Using Molecular Dynamics Simulations

表面微缺陷与微结构相互作用影响裂纹形核及扩展，分子动力学模拟发现铝镁合金中温度升高（10K至450K）和裂纹加深（2-8nm）均显著降低材料强度，扩大无定型区半径，裂纹形状影响较小。与实验及有限元结果一致，揭示了裂纹扩展的纳米机制及温度敏感性。

　　铝是一种广泛应用于多个工业领域的材料，因其轻质、易加工和优异的抗腐蚀性能而受到青睐。然而，纯铝在机械强度方面存在局限，因此通过添加其他元素如镁（Mg）、铜（Cu）、硅（Si）和锌（Zn）来形成铝合金，显著提升了其机械性能。在这些合金中，含有5%镁的铝镁合金（Al-5%Mg）因其良好的综合性能，广泛应用于海洋、汽车、建筑和储存等领域。镁的加入不仅增强了固溶强化效果，还提升了材料的耐腐蚀性和韧性。然而，实际应用中，材料的机械性能不仅依赖于其整体特性，还受到形状、制造工艺和环境条件的影响，这些因素可能导致材料内部出现缺陷，从而影响其在机械载荷下的表现。

表面损伤是一种常见的缺陷类型，它可能源于制造过程、早期腐蚀或表面粗糙度，这些都会导致材料的断裂应力低于预期阈值。研究发现，坑的深度是影响机械性能的关键因素，而不同坑形状（如三角形、矩形和裂纹）在相同直径与深度比的情况下，对屈服强度和抗拉强度的影响相对较小。尽管实际坑的几何形状可能非常复杂，尤其在腐蚀样本中，但在模拟中通常采用简化形式，如圆柱形、半椭圆形、锥形或圆锥形，这些形状通常处于微米尺度范围内，因为更小的尺寸在有限元分析（FEA）中难以处理。

为了研究材料在纳米尺度下的损伤演化机制，原子尺度模拟方法，如分子动力学（MD）模拟，成为一种重要的研究工具。MD模拟能够捕捉材料在微观结构下的行为，揭示裂纹萌生和扩展的纳米机制。通过MD模拟，可以对裂纹扩展过程中的能量释放、应力分布和变形机制进行量化分析，从而补充宏观尺度下的研究结果。在本研究中，采用MD方法对Al-5%Mg单晶材料的三种裂纹形态（尖锐裂纹、矩形裂纹和三角形裂纹）进行了模拟，分别在10 K、300 K和450 K的温度条件下进行，同时考虑了不同裂纹长度的影响。

模拟中采用的嵌入原子法（EAM）势函数由Liu等人开发，该势函数已被广泛用于模拟铝镁合金。为了构建三种不同的裂纹几何模型，首先生成了一个模拟盒，其尺寸根据裂纹长度进行调整。尖锐裂纹模型通过移除两组原子之间的相互作用来模拟，矩形裂纹模型则通过删除边缘原子来实现，而三角形裂纹模型则通过排除两个相交线之间的区域来构建。模拟过程中，5%的镁原子被随机取代，以达到最终的合金组成。通过应用周期性边界条件，限制了沿x轴的位移，从而减少了边界效应并模拟了边缘裂纹的环境。同时，模拟采用NPT（等温等压）系综进行初始弛豫，随后以约10^9 s^-1的应变率对裂纹区域施加拉伸载荷，模拟裂纹在Mode I条件下的扩展过程。温度控制采用Nose–Hoover热浴方法，时间步长为1 fs。所有模拟均使用LAMMPS开源代码进行，而结果的后处理则使用OVITO软件完成。

在裂纹扩展过程中，材料的损伤演化主要通过裂纹尖端的非晶化以及在低温条件下通过空洞的形成来实现。随着温度的升高，材料的机械强度降低，裂纹尖端的非晶化区域扩大，而裂纹形状对机械性能的影响相对较小。在高温条件下，由于材料内部的热运动增强，裂纹扩展路径变得更加均匀，且非晶化区域的形成更为显著。这表明温度对裂纹扩展机制具有重要影响，而裂纹形状的作用则较为有限。

为了评估裂纹对材料断裂强度的影响，本研究采用了J积分方法。J积分是一种基于连续体的参数，用于表征材料的断裂特性。通过计算不同裂纹形态和长度下的J积分值，可以量化裂纹对材料断裂性能的影响。J积分的计算基于原子应力的平均值，并结合特定路径进行积分。对于本研究中的不同裂纹形态，J积分值在10 K时表现出较小的变化，但在450 K时，尖锐裂纹的J积分值显著高于其他裂纹形态，表明其在高温下对断裂能的贡献更大。此外，裂纹长度的增加也会导致J积分值的下降，这与裂纹扩展过程中能量的耗散机制密切相关。

研究结果表明，随着裂纹长度的增加，材料的弹性模量和最大应力均呈现下降趋势，尤其是在低温条件下，这种影响更为显著。例如，在10 K时，5a裂纹的弹性模量为89 GPa，而20a裂纹的弹性模量下降至85 GPa，平均下降幅度为5.5%。随着温度的升高，弹性模量进一步下降，从10 K时的89 GPa减少到300 K时的82 GPa，再到450 K时的75 GPa，平均下降幅度达到8.5%。然而，对于20a裂纹，温度升高对弹性模量的影响较小，表现出一定的稳定性。这可能是因为裂纹长度的增加在一定程度上降低了温度对材料整体性能的敏感性。

在最大应力方面，随着裂纹长度的增加，应力值显著下降，特别是在低温条件下，这种影响更为明显。例如，在10 K时，20a裂纹的最大应力仅为4.05 GPa，而5a裂纹的最大应力为5.79 GPa，下降幅度约为29.5%。随着温度的升高，应力值的下降幅度减小，这表明高温下裂纹对材料强度的影响相对较低。同时，不同裂纹形态的最大应力值在相同温度下表现出一定的差异，其中尖锐裂纹的最大应力最高，而矩形裂纹和三角形裂纹的最大应力略低，但差异不大。

裂纹扩展过程中，非晶化区域的直径随裂纹长度和温度的增加而扩大。在低温条件下，裂纹尖端的非晶化区域直径较小，而在高温条件下，非晶化区域显著增大。这种变化趋势与材料的热力学行为密切相关，高温下原子的热运动增强，导致裂纹尖端更容易发生非晶化。此外，随着裂纹长度的增加，非晶化区域的扩展范围也相应增大，这表明裂纹的尺寸对材料的损伤演化具有重要影响。

J积分分析进一步揭示了裂纹长度和温度对材料能量吸收能力的影响。对于5a裂纹，在10 K时，弹性J积分值为1.52 J/m2，而在450 K时，弹性J积分值下降至0.86 J/m2，下降幅度为43.4%。这表明随着温度的升高，材料的弹性能量吸收能力显著下降。然而，塑性J积分值的变化相对较小，表明塑性变形在能量耗散中占据主导地位。对于较长的裂纹，弹性J积分值的下降幅度更大，这与裂纹扩展过程中更多的能量耗散有关。

总体来看，裂纹长度和温度对材料的机械性能具有显著影响，而裂纹形状的作用相对有限。在相同深度和直径比的情况下，不同裂纹形态对材料的强度和能量吸收能力的影响较小。这与有限元分析（FEA）和实验结果相一致，表明直径与深度比是影响材料机械性能的关键因素。此外，裂纹的扩展路径在不同温度下表现出不同的特征，例如在低温条件下，裂纹扩展伴随着空洞的形成和桥接结构的出现，而在高温条件下，空洞的形成被抑制，非晶化区域则更广泛地扩展，导致裂纹扩展更加均匀。

研究还发现，裂纹扩展过程中，材料的塑性变形区域和非晶化区域的变化与温度密切相关。在低温条件下，塑性变形区域较小，而非晶化区域则更加集中。随着温度的升高，塑性变形区域扩大，而非晶化区域的扩展范围也增加。这种变化趋势表明，温度的升高促进了材料的塑性变形，从而降低了裂纹扩展的速率。同时，裂纹长度的增加也导致塑性变形区域的扩大，这与裂纹扩展过程中更多的能量耗散有关。

本研究的结果表明，铝镁合金的机械性能在不同裂纹形态和温度条件下表现出显著的差异。在低温条件下，裂纹的形状和长度对材料性能的影响更为显著，而在高温条件下，裂纹长度的作用更为突出。此外，裂纹扩展路径在不同温度下表现出不同的特征，这为理解材料在不同环境下的断裂行为提供了重要的参考。这些发现不仅有助于深入理解铝镁合金的微观损伤演化机制，也为实际工程应用中的材料设计和性能优化提供了理论支持。

在实际应用中，材料的机械性能不仅受到裂纹形态和长度的影响，还受到温度和制造工艺等环境因素的制约。因此，通过原子尺度模拟方法，可以更精确地预测材料在不同条件下的行为，从而为材料的性能评估和寿命预测提供依据。本研究的结果表明，温度对材料的弹性模量和最大应力具有显著影响，而裂纹长度则主要影响材料的塑性变形和能量吸收能力。此外，裂纹形态对材料性能的影响较小，这表明在实际应用中，裂纹长度和温度是更关键的控制因素。

本研究的结果还与已有文献中的实验和模拟结果相吻合，表明分子动力学模拟在纳米尺度下的适用性。例如，文献中提到，温度的升高会导致材料的机械强度下降，这与本研究中观察到的趋势一致。此外，裂纹扩展过程中，非晶化和空洞的形成在低温条件下更为显著，而在高温条件下，非晶化区域的扩展更为广泛，这表明高温下的材料行为更为复杂。这些发现不仅拓展了现有研究的范围，也为未来在更高温度和更大尺度下的研究提供了基础。

总的来说，本研究通过分子动力学模拟方法，揭示了铝镁合金在不同裂纹形态、长度和温度条件下的机械行为。结果表明，温度对材料的弹性模量和最大应力具有显著影响，而裂纹长度则主要影响塑性变形和能量吸收能力。裂纹形态对材料性能的影响相对较小，这表明在实际应用中，裂纹长度和温度是更关键的控制因素。这些发现为材料科学和工程领域提供了重要的理论支持，有助于优化材料设计和提高其在不同环境下的性能表现。