美國密歇根州立大學Acta Materialia：原子尺度模擬鑄態鋁氧化膜夾層的形成與斷裂

【引言】

氧化物夾雜是鑄態鋁中一種常見的缺陷，由于具有較高的氧親和力，液態鋁會在幾秒內被快速氧化于幾納米后的氧化鋁薄膜表面。由于鑄模的形狀復雜，在液態鋁填充鑄模時會產生較強的表面擾動，這種擾動會使氧化鋁薄膜折疊為納米尺度的氧化膜夾層(bifilms)，存在于最終的鑄件中。這種雙層氧化膜的形成和夾帶在鋁的鑄造過程中是不可避免的，并且嚴重影響鋁鑄件的最終力學性能，但是，由于現今對納米尺度氧化鋁薄膜進行原位觀察的能力受限，其形成過程或斷裂機制仍不清楚。

【成果簡介】

近日，美國密歇根州立大學的Yue Qi教授在Acta Materialia上發表了題為“Atomistic Simulation of the Formation and Fracture of Oxide Bifilms in Cast Aluminum”的文章。為理解不同的氧化膜夾層形成階段和時效過程中，氧化膜夾層對斷裂機制的影響，作者根據氧化膜夾層的形成歷史，建立了原子級的氧化膜夾層平板(slab)模型。在模擬不同類型的氧化膜夾層形成和形變時，使用了ReaxFF反應力場模擬。模擬顯示在氧化膜夾層形成過程中，在氧化物/氧化物界面處發生不完全的“愈合”過程，而在斷裂過程中，這種“愈合”現象發生在鋁單質/氧化物界面處。

【圖文導讀】

圖1：壓鑄鋁過程中氧化膜夾層形成和隨時間、溫度演化的示意圖。

圖2：建立不同形成歷史的氧化膜夾層結構的過程。

圖3：不同相的塊體氧化鋁結構的室溫體模量預測與論文實驗值對比。

圖4：沿表面正交方向各類氧化物中的原子電荷分布以及對應的原子結構。

(a)新生氧化物；

(b)界面處未受熱的先前氧化物；

(c)先前氧化物；

(d)-OH終止的先前氧化物。

圖5：各類氧化物中的Al-O鍵密度以及對應的原子結構。

(a)Al-O鍵密度;

(b)新生氧化物；

(c)先前氧化物；

(d)-OH終止的先前氧化物。

圖6：氧化膜夾層的形變分析。

(a)新生、先前和-OH終結的先前氧化物的斷裂特征；

(b)三種結構的應力應變曲線；

(c)有限元方法不同網格尺寸下，三種結構的斷裂強度。

【小結】

作者基于氧化膜夾層的形成歷史，細致設計了反應分子動力學模擬過程，用于預測鋁鑄造過程中形成的雙層膜的力學性能。通過氧化膜夾層形成過程中，Al-O鍵密度分布，提出氧化物中不完全的愈合過程的存在。在氧化物的老化過程中，氧化物會發生由非晶態到α-Al₂O₃的轉變，斷裂能提高。在斷裂后一些鋁金屬轉移到氧化物上，會在Al/氧化物界面處出現新生和先前氧化物雙層膜的斷裂。相比之下，表面帶有30%羥基覆蓋率的氧化物夾層，斷裂位置處于氧化物和氧化物的界面。模擬結果顯示了羥基群對“干燥”界面初始斷裂的貢獻，要比老化過程中相變的貢獻更大。因此，減少氫氣含量，即羥基來源，可以使氧化物愈合，并使得夾層強度提高。對于大尺度的鑄造鋁部件設計，氧化物雙層膜的初始斷裂開口可以用有限元方法中的內聚力模型(CZM)進行描述，因此，文章還使用了一種簡單的尺寸連接關系用于將分子動力學模擬得到的斷裂強度和內聚力模型參數在相同數值范圍。

文獻鏈接：Atomistic Simulation of the Formation and Fracture of Oxide Bifilms in Cast Aluminum（Acta Materialia，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.11.008）

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