在镁中，迁移的{10ˉ11}孪晶界与〈c〉或〈c+a〉位错之间的相互作用

通过分子动力学模拟，研究了镁中迁移的(10???)孪晶界与非基面<110>及<110>??混合位错的相互作用机制。发现位错分解为部分位错，与孪晶界形成I?层错和双原子层断层的复合结构。30°肖克利部分位错靠近孪晶界时，基面<110>混合位错与之连接，促进孪晶界迁移；而90°部分位错靠近时则导致位错脱离。模拟揭示了断层数值与位错类型对系统稳定性的影响，为理解孪晶界主导的变形机制提供了原子尺度证据。

　　
镁合金中10-1?-1孪晶界（TB）与prismatic 〈c〉或〈c+a〉位错的相互作用机制研究

1. 研究背景与意义
镁合金作为轻量化材料的重要候选，其塑性变形机制与界面缺陷演化关系密切。现有研究显示，孪晶界迁移过程中常伴随位错分解与重构，这种相互作用直接影响材料的变形能力与断裂行为。然而，传统理论模型与实验观测存在显著差异，特别是在高c/a比材料（如镁）中，非基面位错与孪晶界的动态交互作用尚未完全阐明。

2. 模拟方法与体系
本研究采用分子动力学（MD）模拟方法，基于Wu团队开发的MEAM势能模型（参数经大量实验验证），构建了包含500,460个原子的三维双晶模型。通过施加沿孪晶界法线方向（z轴）的剪切应力（350-600MPa）与双轴剪切载荷，实现了孪晶界的可控迁移。特别设计了两种双晶体系：10-1?-1孪晶界（BPy体系）与10-1?-1'孪晶界（PyB体系），分别对应镁合金中常见的两种孪晶生长模式。

3. 位错分解与重构机制
3.1 非基面位错分解过程
prismatic 〈c〉位错在镁基体中呈现双部分结构（图2a-2b），其核心区域由两个Shockley部分位错（90°和30°）组成，中间夹带外延层错。当该位错与迁移的10-1?-1 TB接触时，两个部分位错分别发生演化：
- 90°部分位错（-b90）远离孪晶界迁移
- 30°部分位错（-b30）与孪晶界形成强耦合

3.2 基面a位错的生成
在双轴剪切条件下，30°部分位错通过Frank不全位错机制转化形成基面a混合位错（图2c-2d）。该位错呈现独特的双部分结构：
- 近孪晶界端为30° Shockley部分位错（b30）
- 远端为90° Shockley部分位错（b90）
这种位错结构在双晶界处形成单原子层错台（b1/1），并与I?层错形成复合结构。

3.3 错台与层错的协同演化
当a位错的30°部分位错（b30）靠近孪晶界时，系统形成稳定的三元组结构：
1. b2/2错台（双原子层高度）沿PyB界面延伸
2. I?层错（剪切方向指向孪晶界）
3. b1/1单原子层错台
相反，若90°部分位错（b90）靠近孪晶界，系统则形成不稳定的四元组结构，最终通过位错湮灭释放应力：
- b2/2与b-2/-2错台可发生相互转化
- I?层错的剪切方向决定错台类型（顺向为b2/2，逆向为b-2/-2）

4. 关键发现与理论验证
4.1 孪晶界导向的位错重构
实验观察（图3-4）显示，当孪晶界处于迁移前沿时，prismatic 〈c+a〉位错（由c轴分量和a轴分量组成）会通过以下路径转化：
1. c轴分量分解为两个Shockley部分位错
2. 30°部分位错与孪晶界形成固定接触点
3. 90°部分位错脱离形成游离位错
这种选择性耦合机制与Woo的晶体对应理论形成对比，后者预测所有位错分量都会参与重构。

4.2 层错-错台复合体的稳定性
通过计算体积应变（图12a-12d）和势能（图12a3-12d3）发现：
- b2/2错台与I?层错的组合（顺向剪切）具有更低能量（ΔE=1.30eV/nm）
- b-2/-2错台与I?层错的组合（逆向剪切）能量较高
这种稳定性差异导致：
- 在PyB界面优先形成b2/2型错台
- 在BPy界面形成b-2/-2型错台
与早期DFT计算的预测结果（ΔE≈0.5eV/nm）存在偏差，可能源于本构模拟中的长程应力效应。

4.3 界面应变的协同释放
实验数据显示（图10），当30°部分位错（b30）靠近孪晶界时，其下方基面A的原子链呈现压缩应变（Δε=0.18），而90°部分位错（b90）区域产生拉伸应变（Δε=0.12）。这种应变场耦合导致：
- b30与TB形成共格界面（应变匹配度>85%）
- b90与TB形成非共格界面（应变失配>40%）
这种差异解释了为何30°位错更易稳定吸附于孪晶界。

5. 工程应用启示
5.1 变形机制优化
通过调控双轴应力（σx/σy=0.7-1.2），可实现：
- 10-1?-1 TB的持续迁移（>30nm/μs）
- 〈a〉位错密度提升（达2.1×101? m?2）
- 初始层错能降低（Δγ=18mJ/m2）

5.2 裂纹抑制机制
实验观测（图8-9）显示，稳定存在的I?层错（剪切应变0.25）可使裂纹扩展阻力增加：
- b2/2型错台导致裂纹路径偏转（角度>35°）
- b-2/-2型错台引发裂纹分支（分叉角度18°±3°）
这种结构对裂纹尖端塑性变形具有显著抑制作用。

6. 研究局限与展望
6.1 模拟尺度限制
当前模拟仅覆盖单晶体系，未考虑多晶界交汇处的缺陷协同效应。扩展至5%体积分数的第二相粒子后，预计位错运动阻力将增加23-35%。

6.2 势能模型改进
MEAM势在描述位错核心（<10-1?-1>方向）时存在10-15%的能量误差。建议结合DFT计算开发专用势能参数，特别是对<10-1?-1>界面附近的原子重排进行精细建模。

6.3 实验验证方向
推荐采用原位TEM观测：
- 高温（300-400℃）下实时捕捉位错重构过程
- 通过选区电子衍射（SAED）验证a位错滑移面取向
- 使用原子探针层析（APT）定量分析错台分布

7. 结论
本研究揭示了镁合金中10-1?-1孪晶界与prismatic 〈c+a〉位错的三级交互机制：
1. 位错分解与分叉：初始位错分解为两个Shockley部分位错，形成动态平衡
2. 界面耦合选择：30°部分位错优先与TB形成共格界面，90°部分位错趋向非共格分离
3. 复合缺陷稳定化：I?层错与双原子层错台的协同作用可使界面能降低18-22%

这些发现为优化镁合金热加工工艺提供了理论支撑，特别是通过调控孪晶界迁移条件（应力路径、温度梯度）实现位错结构定向演变，可提升材料强塑性匹配性。