(1)论文的目的及意义：

由于镁合金的比强度和比刚度高、导热导电性好、具有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，因而广泛应用于汽车、航空、航天、电子等工业领域．然而作为一种结构材料，镁合金也有其自身的弱点，如易腐蚀，抗疲劳、抗蠕变能力差等^[1]。镁合金的晶体结构是典型的密排六方晶体结构^[2]，共有3个独立滑移系。由于其滑移系较少，镁合金在宏观上表现为塑性变形能力差，在微观尺度上由于生产或加工过程中微缺陷^[3](缩孔、微裂纹)的存在，密排六方晶体中原子之间的结合力将发生改变，从而影响镁合金的宏观力学性能。因此，越来越多的材料和力学研究者从微观尺度着手来分析和研究镁合金的宏观性能。然而，传统的有限元方法(FEM)不能准确地描述材料微观尺度^[4,5,6]的变形行为，因此人们迫切希望找到一种有效的描述材料微观变形行为的方法。分子动力学方法^[7,8,9]是近几十年发展起来的一种解决由大量原子组成的系统动力学问题的计算方法，它能够揭示材料在微观尺度下的变形和断裂过程的实质，即电子、原子尺度下的化学键变化导致位错形核、运动、塞积等微观变化，最终导致材料破损的宏观结果，是典型的多尺度现象。目前，随着计算机技术的快速发展，分子动力学方法已经被广泛应用于诸多领域的模拟研究。镁合金在制造过程中会出现表面缺口^[10,11]和内部缺口两种类型的缺陷，本文拟选择含有表面缺口的镁双晶作为研究对象，通过分子动力学模拟，研究表面缺口类型对镁双晶塑形变形行为的影响，为具有优越力学性能的材料设计工作提供依据。

(2)国内外研究现状分析：

表面缺口会对材料的力学性能产生很大影响，Wu等人研究了含表面缺陷和不含表面缺陷的γ-TiAl拉伸变形和断裂的分子动力学模拟^[12]，结果得出：脆性断裂发生在完好体中;表面和边缘的缺陷会破坏材料的强度，并提供位错形核的位置。表面和边缘的缺陷会导致进一步的弱化，随着缺陷类型、尺寸、位置和方向的不同，会产生不同的影响，其中边缘凹陷的影响最大。当表面缺口很小时，从γ-TiAl棒的边缘会产生位错，只有当缺口大于依赖于临界尺寸的应变速率时，才会发生位错成核的现象。表面划痕的影响是定向的和而且对形状敏感。平行于加载方向的划痕影响不大，垂直于加载方向的划痕锋利尖锐，易造成裂纹，应避免。该模拟还表明，任何类型的表面缺陷都会降低强度，并在某些情况下导致裂纹。但如果控制得当，可能会促进位错成核，提高组织的延展性。但这是针对TiAl的研究，镁的性质偏脆，需要单独进行分子动力学模拟。Koike等人研究了镁合金表面台阶形成与孪晶变形的关系^[13]，在室温拉伸下，AZ31镁合金轧件沿轧制方向发生了变形。在裂缝边缘附近观察到大量的表面台阶。透射电镜显示在这些步骤下存在双晶。认为基体位错滑移在孪晶内部高度活跃。双晶^[14,15]内部的局部变形可导致类裂纹断裂的形成，宏观上表现为脆性破坏。但是没有具体揭示表面缺口对镁双晶变形的影响，所以我们的研究就有必要。

2. 研究的基本内容与方案

(1)基本内容

拟采用LAMMPS软件开展工作，LAMMPS是基于Linux操作系统的分子动力学开源程序，基本实现了分子动力学所需的所有细节，几乎可以应用到所有的分子动力学问题中，并且具有并行计算的优点。

首先建立镁的双晶模型，分别建立钝性缺口和尖锐缺口两种不同类型的表面缺口，缺口位置分为表面中央和边缘。随后，使用分子动力学软件LAMMPS模拟模型的加载过程。最后，分别考察应力-应变曲线和微观原子结构图，研究缺口对镁双晶强度及塑性的影响。

(2)技术方案及措施

模拟样本沿着镁的晶核方向生成，首先设置一组没有缺陷的样本作为对照，在各个方向设置好相应的边界条件，建立纳米柱模型，通过去除表面相应位置的部分原子来达到模拟表面各种缺口的目的。首先研究缺口类型对镁双晶塑形变形的影响，主要可以设置成两种：钝性缺口和尖锐性缺口，缺口方向选择垂直于加载方向，在指定温度，恒定应变速率下加载，得到应力-应变曲线，及相应的塑性变形过程。然后研究缺口大小对力学性能的影响，这个可以通过调整去掉的原子数来控制，如分别考虑长度1nm, 2nm, 4nm的缺口。两种缺口分别对应三个缺口大小，得到六组模拟数据。接着研究缺口位置对材料的力学性能的影响，分别为纳米柱中央（面内）和边缘（棱上），也是钝性缺口和尖锐性缺口各两组，总共得到四组模拟数据。模拟实验完成总共得到十组数据。最后通过相互比较得到研究结果。