大连理工大学李广宇团队——多晶铝镁双金属体系固液界面扩散行为与断裂机制的分子动力学模拟研究。论文标题：Diffusion Behavior and Fracture Mechanism at Solid–Liquid Interface of Polycrystalline Al/Mg Bimetallic System: A Molecular Dynamics Simulation
论文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/5/836
期刊名：Materials
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials
作者介绍
通讯作者
%20李广宇，工学博士，大连理工大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师、硕士生导师。入选大连市青年才俊、辽宁省兴辽英才博士后储备计划人才。主要从事轻金属（铝合金、镁合金）强化、双金属界面调控、金属/陶瓷精密增材制造等方向的研究，在双金属界面强化方法上取得了创新性成果。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后基金等多项项目。发表学术论文70余篇，申请/授权发明专利20余项。担任《China%20Foundry》、《Journal%20of%20Magnesium%20and%20Alloys》等多本期刊的青年编委。
%20第一作者
%20王晓琼，大连理工大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要从事Al/Mg双金属的界面结合机理与性能调控研究。
%20文章导读
%20Al/Mg双金属复合材料因其轻质高强的特点，在航空航天与汽车制造领域备受关注。然而，Al与Mg之间的界面结合质量是决定其整体性能的关键。在实际复合铸造制备过程中，浇注温度和预热温度是影响界面行为的核心工艺参数，但其背后的原子尺度机制尚不清晰。
%20为此，大连理工大学李广宇副教授及其团队在Materials%20期刊发表的文章%20(英文Diffusion%20Behavior%20and%20Fracture%20Mechanism%20at%20Solid–Liquid%20Interface%20of%20Polycrystalline%20Al/Mg%20Bimetallic%20System:%20A%20Molecular%20Dynamics%20Simulation)，借助分子动力学模拟系统研究了不同浇注温度（923%20K、973%20K、1023%20K）和预热温度（373%20K、473%20K、573%20K）对多晶Al/Mg双金属体系界面扩散与断裂行为的影响。研究指出，尽管两种温度对扩散行为的影响趋势一致，但对断裂机制的作用截然不同——高温浇注会诱发孪晶主导的断裂模式，而预热温度则未改变位错主导的断裂机制。该成果为优化Al/Mg复合铸造工艺提供了原子尺度的理论指导。
%20研究过程与结果
%201.%20模拟方法与实验验证
%20研究者构建了多晶Al/Mg双金属原子模型，采用Finnis-Sinclair势函数描述原子间相互作用，通过LAMMPS软件进行界面扩散行为和单轴拉伸行为的模拟。模拟过程包括：将固态Al预热至不同温度（373–573%20K），将Mg加热至液态（923–1023%20K）后与Al接触，进行2%20ns的界面扩散模拟，随后对模型沿Y轴施加单轴拉伸测试。同时，开展了Al/Mg复合铸造实验，利用SEM/EDS对界面微观结构进行表征。
图1. Al/Mg 多晶扩散模型：（a）原子构型；（b）不同晶粒以不同颜色区分。
2. 扩散行为结果
研究发现在固-固和固-液两种体系中，Mg原子的扩散系数均高于Al原子，但Al原子的扩散距离却显著大于Mg原子。其主要原因为Mg晶格热稳定性较差，易产生空位等缺陷，为Al原子提供了快速扩散通道；而Al原子半径更小，沿晶界等低能路径实现长程扩散。此外，扩散表现出显著各向异性：垂直于界面的Y方向扩散阻力最大，扩散系数远低于X或Z方向。
表1 固-固与固-液体系中Al和Mg原子的扩散系数
T(K) Al Mg D (×10-12 m2/s) Dx (×10-12 m2/s) Dy (×10-12 m2/s) Dz (×10-12 m2/s) D (×10-12 m2/s) Dx (×10-12 m2/s) Dy (×10-12 m2/s) Dz (×10-12 m2/s) 773K 3.42 1.39 0.373 1.66 4.63 2.00 0.625 2.00 973K 7.12 3.07 0.388 3.66 12.15 5.27 1.00 5.88
图2. 固-固与固-液体系中Al/Mg双金属的原子构型及径向分布函数对比：（a）（b）固固体系，（c）（d）固-液体系
浇注温度和预热温度对扩散过程的影响规律一致。随着温度升高，Al和Mg原子的扩散系数均增大，界面过渡层厚度也相应增加。值得注意的是，预热温度对扩散层厚度的影响更为显著——当预热温度从373 K升至573 K时，扩散层厚度呈近线性增长，而在浇注温度超过973 K后，扩散层厚度增速明显放缓。
图3.浇注温度与预热温度对界面扩散行为的影响：(a) 扩散系数随浇注温度的变化，(b) 扩散层厚度随浇注温度的变化，(c) 扩散系数随预热温度的变化，(d) 扩散层厚度随预热温度的变化
在不同浇注温度或预热温度条件下，分子动力学模拟均表明Al/Mg界面未形成连续的金属间化合物层（如Mg17Al12或Mg2Al3）。扫描电镜结合能谱面扫描分析进一步证实，Al与Mg原子在界面处发生了相互扩散，并形成了厚度随温度变化的扩散过渡层，但并未金属间化合物，这与模拟结果相吻合。
图4. Al/Mg界面形貌与EDS面分布图：(a1-a3) 473 K(Al)-773 K(Mg); (b1-b3) 473 K(Al)-923 K(Mg); (c1-c3) 473 K(Al)-973 K(Mg); (d1–d3) 473 K(Al)-1023 K(Mg); (e1–e3) 373 K(Al)-923 K(Mg); (f1–f3) 573 K(Al)-923 K(Mg)
3. 拉伸断裂行为结果
所有模型均在扩散层与Mg基体之间的界面处发生断裂。最佳的拉伸性能（抗拉强度1.850 GPa，延伸率4.51%）在浇注温度923 K和预热温度473 K的组合下获得，相比本研究中的最差值，强度提升了约52%。
浇注温度对断裂机制有显著影响。在1023 K的浇注温度下，结构的屈服最初由孪晶的形成引发，随后伴随大量位错的产生。而在其他浇注温度（以及所有预热温度）下，脆性断裂直接由位错的增殖和滑移导致。这表明，过高的浇注温度会使变形机制转向以孪晶为主导，从而导致强度降低。
图4. 不同浇注温度下Al/Mg双金属的位错分析：(a1–d1) 973 K; (a2–d2) 1023 K。
研究总结
本研究通过分子动力学模拟与实验相结合，系统揭示了浇注温度和预热温度对Al/Mg双金属界面原子扩散行为与力学性能的影响机制。研究结果表明，浇注温度和预热温度对扩散过程的影响规律一致，但预热温度的影响更为显著；在浇注温度923 K与预热温度473 K的工艺组合下，Al/Mg扩散体系能获得最佳的力学性能；浇注温度1023 K时，材料的屈服由孪生引发；而其他模型的脆性断裂则直接源于位错活动。这些原子尺度的机理研究为优化Al/Mg双金属构件的工艺参数提供了直接、重要的理论基础。
Materials 期刊介绍
主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada; Prof. Dr. Yuguang Ma, South China University of Technology, China
主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。
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来源：Materials