美国密歇根州立大学Acta Materialia：原子尺度模拟铸态铝氧化膜夹层的形成与断裂

【引言】

氧化物夹杂是铸态铝中一种常见的缺陷，由于具有较高的氧亲和力，液态铝会在几秒内被快速氧化于几纳米后的氧化铝薄膜表面。由于铸模的形状复杂，在液态铝填充铸模时会产生较强的表面扰动，这种扰动会使氧化铝薄膜折叠为纳米尺度的氧化膜夹层(bifilms)，存在于最终的铸件中。这种双层氧化膜的形成和夹带在铝的铸造过程中是不可避免的，并且严重影响铝铸件的最终力学性能，但是，由于现今对纳米尺度氧化铝薄膜进行原位观察的能力受限，其形成过程或断裂机制仍不清楚。

【成果简介】

近日，美国密歇根州立大学的Yue Qi教授在Acta Materialia上发表了题为“Atomistic Simulation of the Formation and Fracture of Oxide Bifilms in Cast Aluminum”的文章。为理解不同的氧化膜夹层形成阶段和时效过程中，氧化膜夹层对断裂机制的影响，作者根据氧化膜夹层的形成历史，建立了原子级的氧化膜夹层平板(slab)模型。在模拟不同类型的氧化膜夹层形成和形变时，使用了ReaxFF反应力场模拟。模拟显示在氧化膜夹层形成过程中，在氧化物/氧化物界面处发生不完全的“愈合”过程，而在断裂过程中，这种“愈合”现象发生在铝单质/氧化物界面处。

【图文导读】

图1：压铸铝过程中氧化膜夹层形成和随时间、温度演化的示意图。

图2：建立不同形成历史的氧化膜夹层结构的过程。

图3：不同相的块体氧化铝结构的室温体模量预测与论文实验值对比。

图4：沿表面正交方向各类氧化物中的原子电荷分布以及对应的原子结构。

(a)新生氧化物；

(b)界面处未受热的先前氧化物；

(c)先前氧化物；

(d)-OH终止的先前氧化物。

图5：各类氧化物中的Al-O键密度以及对应的原子结构。

(a)Al-O键密度;

(b)新生氧化物；

(c)先前氧化物；

(d)-OH终止的先前氧化物。

图6：氧化膜夹层的形变分析。

(a)新生、先前和-OH终结的先前氧化物的断裂特征；

(b)三种结构的应力应变曲线；

(c)有限元方法不同网格尺寸下，三种结构的断裂强度。

【小结】

作者基于氧化膜夹层的形成历史，细致设计了反应分子动力学模拟过程，用于预测铝铸造过程中形成的双层膜的力学性能。通过氧化膜夹层形成过程中，Al-O键密度分布，提出氧化物中不完全的愈合过程的存在。在氧化物的老化过程中，氧化物会发生由非晶态到α-Al₂O₃的转变，断裂能提高。在断裂后一些铝金属转移到氧化物上，会在Al/氧化物界面处出现新生和先前氧化物双层膜的断裂。相比之下，表面带有30%羟基覆盖率的氧化物夹层，断裂位置处于氧化物和氧化物的界面。模拟结果显示了羟基群对“干燥”界面初始断裂的贡献，要比老化过程中相变的贡献更大。因此，减少氢气含量，即羟基来源，可以使氧化物愈合，并使得夹层强度提高。对于大尺度的铸造铝部件设计，氧化物双层膜的初始断裂开口可以用有限元方法中的内聚力模型(CZM)进行描述，因此，文章还使用了一种简单的尺寸连接关系用于将分子动力学模拟得到的断裂强度和内聚力模型参数在相同数值范围。

文献链接：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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