作者介绍

李广宇 博士

通讯作者简介：

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 Foundry、Journal of Magnesium and Alloys 等多个期刊的青年编委。

王晓琼 硕士研究生

第一作者简介：

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。

导语

Al/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。

为此，大连理工大学李广宇副教授及其团队在 Materials 期刊发表的文章 (Diffusion Behavior and Fracture Mechanism at Solid–Liquid Interface of Polycrystalline Al/Mg Bimetallic System: A Molecular Dynamics Simulation)，借助分子动力学模拟系统研究了不同浇注温度 (923 K、973 K、1023 K) 和预热温度 (373 K、473 K、573 K) 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。

研究过程与结果

1. 模拟方法与实验验证

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 K)，将Mg加热至液态 (923–1023 K) 后与Al接触，进行2 ns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                         

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，强度提高12.65%，延伸率提高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5. 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，材料的屈服由孪晶引发；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。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/5/836

• Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

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。

2024 Impact Factor：3.2(JCR Q2*)

2024 CiteScore：6.4(Scopus Q1*）

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.6 Days

*JCR Q2 at “PHYSICS, APPLIED” and “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING” Categories

*Scopus Q1  at “Condensed Matter Physics” Category

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials