[论文解读] Origins and dissociation of pyramidal dislocations in magnesium and its alloys

Zhigang Ding, Wei Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Magnesium Alloys: Properties and Applications参考文献 39被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在镁合金中，<c + a> 柏氏矢量的螺旋位错倾向于在菱锥 I 面上形成，但当添加钇（Y）后，这些位错在菱锥 II 面上更容易解离。通过采用包含色散校正的密度泛函理论和分子动力学模拟，作者表明，Y 合金化通过形成平坦的势能面，稳定了菱锥 II 面上的堆垛层错，从而促进原子协同运动，并激活菱锥 II 滑移系，解释了 Mg-Y 合金在室温下塑性增强的原因。

ABSTRACT

Alloying magnesium (Mg) with rare earth elements such as yttrium (Y) has been reported to activate the pyramidal slip systems and improve the plasticity of Mg at room temperature. However, the origins of such dislocations and their dissociation mechanisms remain poorly understood. Here, we systematically investigate these mechanisms using dispersion-inclusive density functional theory, in combination with molecular dynamics simulations. We find that dislocations form more readily on the pyramidal I plane than on the pyramidal II plane in Mg. The addition of Y atoms in Mg facilitates the dissociation of dislocations on pyramidal II, leading to the easier formation of the pyramidal II than pyramidal I in Mg-Y alloy. Importantly, in pyramidal II slip plane, a flat potential-energy surface (PES) exists around the position of stable stacking fault energy (SFE), which allows cooperative movement of atoms within the slip plane. Alloying Mg with Y atoms increases the range of the PES, and ultimately promotes different sliding pathways in the Mg-Y alloy. These findings are consistent with experimentally observed activation of the pyramidal II slip system in Mg-Y alloys, and provide important insight into the relationship between dislocation structure and macroscopic enhancement of plasticity.

研究动机与目标

• 理解镁及其合金中菱锥 <c + a> 位错的起源及其解离机制。
• 阐明为何像钇（Y）这样的稀土元素能提高镁在室温下的塑性。
• 研究 Y 在稳定堆垛层错及促进特定滑移面上位错迁移中的作用。
• 将原子尺度的位错行为与 Mg-Y 合金宏观塑性性能的提升联系起来。

提出的方法

• 采用包含色散校正的密度泛函理论（DFT-D），计算镁中菱锥 I 面和菱锥 II 面上 <c + a> 位错的形成能和解离能。
• 开展分子动力学（MD）模拟，研究滑移过程中位错的动态行为及原子重排。
• 分析稳定堆垛层错（SFE）位置周围的势能面（PES），评估原子迁移率和协同运动能力。
• 对比纯 Mg 与 Mg-Y 合金的 PES 特性，评估 Y 对位错解离和滑移面稳定性的影响。
• 使用 DFT 计算堆垛层错能，评估不同滑移系的热力学有利性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在纯镁中，<c + a> 位错在菱锥 I 面上比在菱锥 II 面上更容易形成？
• RQ2 钇的添加如何影响 Mg-Y 合金中菱锥 II 面上 <c + a> 位错的解离？
• RQ3 势能面（PES）在菱锥 II 面上位错滑移过程中促进原子协同运动的机制是什么？
• RQ4 尽管形成能较高，为何在 Mg-Y 合金中菱锥 II <c + a> 滑移系仍被优先激活？
• RQ5 Mg-Y 合金中 PES 的范围更广且更平坦，如何促进与纯 Mg 不同的滑移路径？

主要发现

• 在纯镁中，由于形成能较低，菱锥 <c + a> 位错在菱锥 I 面上比在菱锥 II 面上更容易形成。
• 添加钇可促进 <c + a> 位错在菱锥 II 面上的解离，从而激活该滑移系。
• 在 Mg-Y 合金的菱锥 II 面上，稳定堆垛层错能位置周围存在平坦的势能面（PES），从而实现原子的协同运动。
• Y 合金化扩大了 PES 的范围，提高了菱锥 II 面上位错的稳定性和迁移能力。
• 这些原子尺度机制解释了实验中观测到的 Mg-Y 合金在室温下塑性增强的现象。