多轴应变控制循环变形诱导铝相变的原子尺度模拟研究

《Materials Today Communications》：Multi-axial Strain Controlled Cyclic Deformation Induced Phase Transitions in Aluminium using Large-scale Molecular Dynamics Simulation: An atomistic simulation-based study

本研究针对铝在复杂服役条件下低周疲劳性能不足的问题，通过大规模分子动力学(MD)模拟，系统研究了多轴(单轴、双轴、三轴)应变控制循环变形对纯铝微观结构演变和相变行为的影响。研究发现三轴循环加载可诱导高达50%的FCC向BCC相变，屈服强度达4.67 GPa，揭示了应力诱导相变作为新型塑性变形机制的重要性，为设计高疲劳抗力铝合金提供了原子尺度理论基础。

　　

铝及其合金因其低密度、高比强度和优异耐腐蚀性，成为航空航天、汽车制造等领域的核心材料。然而，传统强化手段往往以牺牲塑性为代价，且在实际服役过程中，部件常面临复杂多轴循环载荷引发的低周疲劳(Low-Cycle Fatigue, LCF)问题。尽管已有大量研究关注单轴疲劳行为，但对多轴应力状态下铝的微观结构演化规律，特别是非平衡相变行为的认识仍存在空白。这限制了高疲劳抗力铝合金的设计开发。

为揭示多轴循环变形诱导相变的内在机制，印度国立贾姆谢德布尔理工学院的研究团队在《Materials Today Communications》发表了题为"Multi-axial Strain Controlled Cyclic Deformation Induced Phase Transitions in Aluminium using Large-scale Molecular Dynamics Simulation"的研究论文。该工作通过大规模分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟，首次系统探讨了不同约束条件下(自由边界与固定边界)的多轴循环变形对纯铝结构演变的影响。

研究采用LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)软件平台，构建包含386万原子的多纳米晶铝体系，应用EAM(Embedded Atom Method)势函数描述原子间相互作用。通过NPT系综在300K下进行应变率为10¹⁰s^-1的循环加载，利用aCNA(adaptive Common Neighbor Analysis)和DXA(Dislocation Extraction Algorithm)等先进分析方法追踪相变过程和缺陷演化。

3.1. 单轴拉伸和循环变形

单轴拉伸模拟显示屈服强度为1.807 GPa(应变4.6%)，裂纹在应变4.7%时萌生。自由边界条件下的循环变形主要引发晶粒粗化，而固定边界条件则促进FCC向BCC/HCP转变。应力-应变曲线呈现稳定滞后环，表明材料具有良好循环稳定性。

3.2. 三轴循环变形

三轴加载呈现最高屈服强度(4.67 GPa)，并诱导最显著的相变行为。第20周期后位错密度显著降低，同时BCC相分数增至50%，表明相变替代位错运动成为主要变形机制。原子能量分布显示BCC原子具有更高势能(4.125 eV/atom)，证实其亚稳态特性。

3.3. 单轴循环变形

固定横向约束的单轴循环显著促进相变，BCC相优先沿晶界形核。与自由边界相比，约束条件更接近实际服役状态，揭示了边界条件对变形机制选择的关键影响。

3.4. 双轴循环变形

双轴加载呈现FCC→BCC→HCP的序贯相变路径，BCC作为中间亚稳相在持续应变下向HCP转变。相变过程与局部应力状态动态耦合，体现了变形机制的时空多尺度特性。

该研究通过原子模拟揭示了多轴循环变形中应力诱导相变的新机制：三轴应力状态可使FCC→BCC相变临界压力从热力学预测的400 GPa降至模拟观测的2-4 GPa，这归因于纳米晶体系中局域应变累积、晶界效应和缺陷相互作用显著降低了相变能垒。BCC相通过体积膨胀(16.584 ?³/atom vs FCC的16.497 ?³/atom)协调局部应变，与位错机制形成竞争关系。研究为通过调控加载路径实现微观结构定制提供了理论依据，对开发新一代抗疲劳铝材具有重要指导意义。未来工作可结合实验验证并拓展至合金体系，探究溶质原子对相变稳定性的影响。