IJP：镁中裂尖解理/位错发射竞争行为/机制：ALEFM预测和原子模拟

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提高材料的断裂坚韧可以改善材料的结构性能和可靠性。在原子尺度下，断裂是一个材料分离过程，材料的断裂韧性与原子尺度的裂纹尖端行为/机制有关。裂纹尖端行为与系统中原子的能态有关。原子热振荡随温度的升高而增强，这可能影响/改变裂纹尖端行为。来自金属精密热加工国防科技重点实验室和哈尔滨工业大学的Jia-ping Ma首次利用各向异性线弹性断裂力学（ALEFM）理论--密度泛函理论（DFT）和原子模拟研究了镁合金中随温度变化的裂尖解理/位错发射竞争。使用一个专门设计的“K场”的负载模型调查了裂纹尖端的行为。DFT计算表明，具有较低熵和较高吉布斯自由能的单晶系统意味着更强的原子间键合，有利于更高的KIc。应力分布的变化引发了裂纹尖端行为的脆韧性转变。连续的裂纹尖端位错形核/滑移可以使韧性裂纹尖端变钝，韧性裂纹尖端几何形状从尖锐结构向半圆形结构的演变显著降低了裂纹尖端的应力集中。建立了一个新的裂尖力矢量判据，合理地解释了当裂纹面与滑移面夹角θ为0 ° < θ < 90 °和θ = 90 °时，延性裂尖的几何演化。本文的工作拓展了Mg的原子尺度脆/韧裂纹尖端行为/机理，为工程研究中的裂纹尖端行为分析提供了参考。

图1显示了在0-300 K温度范围内（0001）[1-210]取向裂纹尖端的位错发射行为。在1.07 KIc的载荷下，裂纹尖端（0-300 K）呈现出原子级的尖锐结构（在图1（a-d）中用黄色箭头标记）。当载荷为1.11 KIc（0 K和300 K）、1.09 KIc（100 K）和1.10 KIc（200 K）时，裂纹尖端发射位错（图1（ad）中用绿色箭头标记）。当载荷为1.14 KIc（0-200 K）和1.16 KIc（300 K）时，裂纹尖端位错发生滑移（图1（a-d）中用蓝色箭头标记），初始尖锐的裂纹尖端演变成半圆形结构。当载荷增加到1.15 KIc（0-100 K）、1.16 KIc（200 K）和1.17 KIc（300 K）时，裂纹沿着拉伸方向扩展，裂纹尖端位错连续形核（图1（a-d）中粉红箭头所示），裂纹尖端变钝。在0-300 K的温度下，裂纹尖端位错发射行为与ALEFM预测一致。

图1 不同温度下（0001）[1-210]取向裂纹的裂纹尖端行为（原子根据共同邻居分析（CAN）着色。HCP为红色，FCC为绿色，其它为黄色）。

图2显示了在0-300 K温度范围内（10-10）[1-210]取向裂纹尖端的位错发射行为。在1.06 KIc（0 K）、1.10 KIc（100-200 K）和1.13 KIc（300 K）的载荷下，裂纹尖端呈现出原子级的尖锐结构（在图2（a-d）中用黄色箭头表示）。在1.12 KIc（0 K）、1.11 KIc（100 K）、1.13 KIc（200 K）和1.14 KIc（300 K）的载荷下，裂纹尖端发射位错（在图2（a-d）中由蓝色箭头指示）。当载荷增加到1.14 KIc（0-100 K）和1.17 KIc（200-300 K）时，裂纹沿着拉伸方向扩展，裂纹尖端位错不断形核（图2（a-d）中用粉红箭头标记），裂纹尖端变钝。在0-300 K的温度下，裂纹尖端位错发射行为与ALEFM预测一致。

图2（10-10）[1-210]取向裂纹在不同温度下的裂尖行为（原子根据共邻分析着色）。HCP为红色，FCC为绿色，其它为黄色）。

图3和图4分析了0-300 K温度下脆性/韧性裂纹尖端张开应力σyy的分布。图3给出了0-300 K温度范围内韧性裂纹尖端（取向为（0001）[1-210]）张开应力σyy的分布。可以看出，在裂纹尖端发射位错之前，应力集中是显著的。在载荷为1.14 KIc、1.15 KIc、1.16 KIc和1.17 KIc时，裂纹尖端位错的滑移导致σyy减小（图3（a-d）中用黑色箭头表示）。在0-300 K温度范围内，应力集中在0 K时最明显，σyy随温度升高而减小。图4给出了0-300 K温度范围内脆性裂纹尖端（取向为（1-210）[10-10]）张开应力σyy的分布。可以看出，在裂纹尖端解理之前/之后（图4（a和B）中用黑色和黄色箭头表示）以及在裂纹尖端发射位错之前（图4（c和d）中用黑色箭头标记），应力集中是显著的。在载荷为1.16 KIc和1.19 KIc时，裂纹尖端位错的滑移导致σyy减小（在图9（c和d）中用黄色箭头标记）。在0 K和100 K温度下应力集中最明显，随着温度的升高，应力集中逐渐减小，温度升高到200 K和300 K时，应力集中逐渐减小。

图3 不同温度下（0001）[1-210]取向韧性裂纹在的原子张开应力σyy（GPa）分布。

图4 不同温度下（1-210）[10-10]晶向脆性裂纹的原子张开应力σyy（GPa）分布。

在原子模拟中，裂纹面与滑移面夹角θ（0 ° <θ<90 °，θ = 90 °）不同的韧性裂纹尖端呈现出不同的几何演化。对裂纹面和滑移面角θ为0 ° <θ<90 °和θ = 90 °的延性裂纹尖端进行力矢量分析（如图5（a和c）所示）。在达到临界KIe之前，在延性裂纹尖端处，沿滑移面存在沿着的力矢量bd（即，所施加的外力矢量σe的分量，如图5（a）中绿色箭头所示），其中θ为0°< θ < 90° 。消耗的力矢量为bd（引发位错形核）和σo（驱动裂纹张开），bd与σo之间的夹角θ为0 ° < θ < 90 °。bd和σo的和σs在图5（a）中用粉红色箭头表示。在I型载荷下，裂纹尖端逐渐向力矢量σs方向倾斜（如图5（b）中黑色箭头所示）。在达到临界KIe之前，在角θ为90 °的延性裂纹尖端处，沿着滑移面存在一个力矢量bd（如图5（c）中绿色箭头所示）。所消耗的力矢量为bd（引发位错形核）和σo（驱动裂纹张开），bd和σo之间的角度θ为0°。bd和σo的和σs在图5（c）中用粉红箭头表示。在I型载荷下，裂纹尖端逐渐向力矢量σs方向张开（如图5（d）中黄色箭头所示）

图5 韧性裂纹尖端几何演化机制。(a)力矢量分析和（b）裂纹面和滑移面之间的夹角θ为0 ° <θ<90 °的韧性裂纹尖端的位错行为/裂纹尖端几何形状;（c）力矢量分析和（d）裂纹面和滑移面之间的夹角θ为90 °的韧性裂纹尖端的位错行为/裂纹尖端几何形状。