通过分子动力学模拟研究纳米晶Nd2Fe14B在热变形过程中的蠕变机制

《Solid State Communications》:Understanding the creep mechanisms of nanocrystalline Nd 2Fe 14B during hot deformation process through molecular dynamics simulation

【字体: 时间:2026年02月11日 来源:Solid State Communications 2.4

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  本研究通过分子动力学模拟系统揭示了纳米晶Nd2Fe14B永磁体在热变形过程中应力指数、蠕变激活能及原子重构规律,发现晶界扩散与滑动主导机制取决于应力与温度的协同作用,并构建了应力-温度场变形机制图谱,为优化热加工工艺提供理论支撑。

  
谢宇航|谢鸿贤|孙旭
河北工业大学机械工程学院,天津,300132,中国

摘要

热变形纳米晶Nd2Fe14B磁体是实现高性能的候选材料,但其热变形过程中的塑性变形机制尚未完全明了。本研究采用分子动力学模拟方法,系统地研究了在不同温度和应力下的应力指数、蠕变激活能以及原子构型。结果表明,热变形过程主要通过晶界扩散或晶界滑移实现,其中哪种机制占主导地位不仅取决于应力,还取决于温度。在低应力或低温条件下,晶界扩散是主导的蠕变机制;随着施加应力和温度的协同增加,这种机制会逐渐转变为晶界滑移。最后,将蠕变机制总结在应力-温度变形机制图中。本研究为纳米晶Nd2Fe14B磁体的热变形行为提供了见解,并可为优化其热加工工艺提供重要指导。

引言

Nd2Fe14B磁体因其高的剩磁(Br)、高矫顽力(Hcj)以及优异的最大能量积(BH)max而成为最出色的永磁材料之一[[1], [2], [3], [4]]。其独特的磁性能使其在高性能电机、磁共振成像(MRI)、传感器、电子设备和现代绿色能源技术中得到广泛应用[[5], [6], [7], [8], [9]]。自1983年Sagawa [10]和Croat [11]分别通过粉末冶金法和熔融旋压法成功制备出以Nd2Fe14B为主相的稳定Nd-Fe-B系列永磁材料以来,Nd2Fe14B磁体的研究和应用进入了快速发展阶段。这些材料的卓越性能不仅推动了永磁材料科学的发展,也为相关研究开辟了新的领域。
根据不同的制造工艺,Nd-Fe-B磁体主要可分为三类:烧结Nd-Fe-B磁体、粘结Nd-Fe-B磁体和热变形Nd-Fe-B磁体。烧结Nd-Fe-B磁体通过粉末冶金法制备,先熔化合金、制粉,然后在惰性气体或真空环境中压制成型;通常还需要进行老化热处理以提高结晶度[12,13]。粘结Nd-Fe-B磁体则是将Nd-Fe-B粉末与塑料或其他粘结材料混合后,通过注塑或压制成型[14]。热变形过程主要包括两个关键步骤:首先对纳米晶Nd-Fe-B薄片或粉末进行热压处理,形成各向同性的致密前驱体;随后在热变形过程中,材料发生模具变形,从各向同性转变为各向异性,因为外部压力方向与Nd2Fe14B晶粒的c轴晶体取向一致[15]。与其他制造技术相比,热变形工艺是诱导纳米晶硬磁材料织构的最可行方法。与传统烧结工艺相比,热变形工艺具有更高的矫顽力,并且能够生产出与最终产品形状和尺寸高度匹配的材料,从而减少了后续加工步骤,缩短了生产周期[16,17]。
近年来,人们对Nd-Fe-B永磁体热变形过程中的变形机制有了显著进展。众多研究[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]表明,热变形本质上是一个高温蠕变过程,晶界扩散和晶界滑移是控制塑性变形的两个主要机制。Grünberger等人[28]通过“固溶-沉淀扩散蠕变”模型系统地阐明了热变形的蠕变本质,指出高温下晶界相的熔化不仅增强了晶界扩散,还显著降低了晶界滑移的阻力。这一观点得到了多项实验研究的验证。例如,Yasuda等人[29]观察到Nd-Fe-B合金在拉伸变形过程中的优异伸长主要来源于晶界滑移;Liu等人[18]通过实验表明,在高温高压条件下,晶粒旋转行为主要由晶界滑移机制控制。Hioki等人的工作[20]通过系统实验观察进一步支持了这一观点,他们提出在热压过程中,晶界相首先熔化,随后在热变形阶段,施加的应力促进晶粒沿c轴(片状晶粒的宽表面)的各向异性生长和晶粒旋转。总体而言,这些研究确立了热变形的蠕变本质,并强调了晶界扩散和晶界滑移机制的关键作用;然而,在特定温度和压缩应力条件下哪种机制占主导地位仍不清楚,需要进一步研究。
分子动力学(MD)模拟是阐明金属和合金系统蠕变机制的强大工具[[30], [31], [32], [33], [34]]。Wang等人[[30], [31], [32]]通过MD模拟成功再现了单晶和多主元素合金的蠕变过程,利用经典的Mukherjee-Bird-Dorn本构方程进行多温度蠕变测试,确定了应力指数(n)和蠕变激活能等关键参数,明确了不同蠕变机制的主导作用,并建立了蠕变行为的应力-温度依赖的本构关系。类似地,Qian等人[34]通过MD模拟在多种应力水平下进行了系列蠕变实验,系统研究了不同蠕变机制之间的竞争关系。这些开创性研究为当前工作提供了重要的方法论参考。因此,本研究采用MD模拟来研究纳米晶Nd-Fe-B在热压过程中的蠕变行为。通过构建精确的原子模型,模拟高温高压条件下的热机械变形,我们旨在:阐明外部载荷和温度条件对蠕变机制转变的影响,并深入理解蠕变过程中的塑性变形机制转变。该研究将有助于丰富Nd-Fe-B在加工条件下的蠕变机制基础知识。

部分内容摘要

MD模拟细节

本研究使用LAMMPS(大规模原子/分子并行模拟器)软件[35]进行MD模拟。势函数的选择对模拟计算至关重要,直接影响模拟结果的准确性和可靠性。本研究中采用的ADP(角度依赖势)势能是由A Kubo等人[36]开发的,该势能基于角度依赖模型设计

纳米晶Nd2Fe14B的蠕变行为

图2展示了在不同应力 and 温度条件下纳米晶Nd2Fe14B的MD模拟蠕变应变-时间曲线。如图所示,除MD时间窗口内某些蠕变不足的情况外,所有其他蠕变曲线都表现出三个典型的阶段:初级蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。在初级蠕变阶段,蠕变曲线的斜率随应力的增加而呈指数增长

结论

本研究基于分子动力学模拟,系统研究了纳米晶Nd2Fe14B永磁体在热压过程中的蠕变行为及其微观变形机制。研究重点关注Nd2Fe14B晶粒之间的晶界,特别是它们在高温高压条件下的结构演变和变形响应。

作者贡献声明

谢宇航:概念构思、数据整理、形式分析、实验研究、数据可视化、初稿撰写、审稿与编辑。谢鸿贤:概念构思、实验研究、项目管理、监督、审稿与编辑。孙旭:资金筹集、项目管理、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划(项目编号:2021YFB3501502)和工业和信息化部的158专项基金(项目编号:TC220H06W)的财政支持。
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