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

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

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》等多本期刊的青年编委。

第一作者

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。

文章导读

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 (英文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

主题：断裂机制|预热温度|大连理工大学材料科学