【摘 要】
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镁及镁合金作为最轻的工程结构金属材料,具有许多优异的性能,在航空航天、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景,被誉为21世纪的绿色结构材料。然而,镁及镁合金由于其密排六方的晶体结构,很大程度上影响了其位错运动的滑移系数量,导致其存在塑性变形能力差、高温强度低等缺点,这严重限制了镁及镁合金在各个领域中的广泛应用。研究表明,金属基复合材料能够有效改善金属合金的强塑性。近年来,利用碳纳米管、石墨烯等纳米相增
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镁及镁合金作为最轻的工程结构金属材料,具有许多优异的性能,在航空航天、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景,被誉为21世纪的绿色结构材料。然而,镁及镁合金由于其密排六方的晶体结构,很大程度上影响了其位错运动的滑移系数量,导致其存在塑性变形能力差、高温强度低等缺点,这严重限制了镁及镁合金在各个领域中的广泛应用。研究表明,金属基复合材料能够有效改善金属合金的强塑性。近年来,利用碳纳米管、石墨烯等纳米相增强金属基复合材料取得了丰硕的成果。然而,目前人们对石墨烯增强金属基复合材料力学性能的研究主要集中在面心立方结构的金属材料,而对于具有密排六方结构的镁及镁合金的研究仍然不足。因此,深入理解石墨烯增强镁合金的强化机制,设计和开发高强度高塑性的石墨烯镁基（Graphene/magnesium matrix,GR/Mg）复合材料是目前亟待研究的重要课题。本文采用分子动力学模拟方法,深入研究了石墨烯对金属镁在拉伸载荷下的变形行为和力学性能的影响,阐明了石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料力学性能的影响规律。本文的主要研究内容和结论如下:（1）研究了GR/Mg复合材料在（11（?）0）方向的拉伸载荷下的力学行为,分析了石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料力学性能和塑性变形行为的影响。研究发现,石墨烯的嵌入显著提升了金属镁的力学性能,这主要是因为石墨烯的具有很高的杨氏模量和峰值应力。石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料的杨氏模量和峰值应力的影响较小,但会明显影响GR/Mg复合材料第二峰值应力之后的塑性变形行为。GR/Mg复合材料塑性变形后期的平均流动应力首先随着石墨烯嵌入高度的增加而增加,当嵌入高度达到0.4L时,平均流动应力达到最高,随后又出现了下降趋势。当石墨烯嵌入高度较小时,GR/Mg复合材料的下部分镁基体塑性变形能力较强,而当石墨烯嵌入高度较大时,GR/Mg复合材料上下两部分镁基体的塑性变形能力相当,上下两部分镁基体趋向于发生较为同步的塑性变形行为。（2）研究了拉伸方向对GR/Mg复合材料力学性能的影响。研究指出,垂直于镁基体基面进行拉伸使得镁基体体内更加难以进行位错的成核与开动,促使复合材料呈现更好的力学性能,且石墨烯的嵌入位置对NGR/Mg复合材料力学性能影响不大。无论石墨烯嵌入高度如何,石墨烯层均对新晶粒的长大起到了阻碍作用。研究表明,新晶粒的不断成核及生长主导了NGR/Mg复合材料的塑性变形阶段。随着新晶粒的形核及生长,原始的石墨烯单晶镁复合材料逐渐演变成多晶复合模型,研究也指出,在本文的载荷条件下,镁基体在塑性变形过程中均发生了从密排六方结构到体心立方结构再到密排六方结构的相变,且该变形行为不依赖于石墨烯的嵌入位置。新晶粒的基面与原始镁基体的基面之间形成了约121.5°的夹角,与拉伸方向形成了58.5°的夹角,这一变化使其施密特因子增大,从而有利于位错的成核与滑移。
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