【摘 要】
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镁合金作为典型的轻质结构金属材料,具有低密度、高比强度、高比刚度等一系列优点,在航空航天、汽车制造、3C产品和医疗器械等多个领域有着广泛的应用前景。然而,镁合金的力学性能较低,耐热性能差,塑性及耐蚀性差等缺点极大地限制了镁合金的发展。沉淀强化是通过等温时效出第二相来提升合金的强度或抗蠕变性等性能的有效手段。目前,在铝合金领域使用沉淀强化已开发出多种高强铝合金。近年来,沉淀硬化镁合金因其制备简单,成
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镁合金作为典型的轻质结构金属材料,具有低密度、高比强度、高比刚度等一系列优点,在航空航天、汽车制造、3C产品和医疗器械等多个领域有着广泛的应用前景。然而,镁合金的力学性能较低,耐热性能差,塑性及耐蚀性差等缺点极大地限制了镁合金的发展。沉淀强化是通过等温时效出第二相来提升合金的强度或抗蠕变性等性能的有效手段。目前,在铝合金领域使用沉淀强化已开发出多种高强铝合金。近年来,沉淀硬化镁合金因其制备简单,成本低廉,具有优异的时效强化效果而广受关注。其中Mg-RE-Zn（Ag）三元合金因其较Mg-RE二元合金较低的RE含量,同时兼具更高的强度和十分优异的抗蠕变性能而成为近年来人们的研究热点。究其原因在于Mg-RE-Zn（Ag）三元合金等温时效过程中析出的基面盘状γ"相。有趣的是,该γ"相在等温时效过程中始终保持单胞高度,即二维生长,垂直于基面方向并无增厚现象。γ"相在保持纳米尺度的同时,还保持着极高的热稳定性,这在其他合金体系中未见报道。针对此现象,本文通过第一性原理计算,系统地研究了 Mg-RE-Zn（Ag）系列合金中γ"相的精细晶体结构及其力学性能。在精细结构的基础上,又重点研究了γ"相,γ"/α-Mg异质界面的几何结构和电子结构,解释了γ"相呈单胞高度形核,团簇状生长以及二维生长的机理。本文首先对γ"相的精细晶体结构、力学性能进行了系统的研究。研究发现γ"相为准五层原子结构,中间层原子呈部分有序堆垛的密排六方相,γ"相的结构并非仅有一种而是存在多种变体,随着合金中RE:Zn（Ag）比率的变化,这与我们通常对合金中强化相的认知有所不同。γ"相中间层原子堆垛的有序度与合金中的RE:Zn（Ag）值和RE/Zn（Ag）含量有关,当合金中RE:Zn（Ag）比率减小,γ"相中间层原子的堆垛有序度增加,反之亦然。γ"相在垂直基面方向上缺少周期性,本文使用双相材料的组合规则,首次研究了γ"相的力学性能。对γ"相的力学各项异性研究中发现,Ag和Zn溶入γ"相的中间层会产生几乎相反的力学各向异性,而且在同种结构下,Ag相比Zn对γ"相力学性能的提升效果更为显著。在γ"相精细结构的基础上,进一步研究γ"相,γ"/α-Mg异质界面的几何结构和电子结构。结果表明γ"相在Mg基体的沉淀析出引发其周围的Mg晶格产生压应变,并强烈地改变了α-Mg/γ"异质界面附近Mg晶格的电荷密度分布（电子结构）。这种改变造成α-Mg/γ"异质界面附近Mg原子的空位形成能和溶质原子的扩散能垒值相较体相Mg中的更低,为溶质原子在异质界面附近的快速扩散提供了充足的动力学条件。这里认为γ"相在基体中的析出类似于“催化剂”,一旦γ"相在基体中沉淀析出,会改变其附近Mg晶格的几何和化学环境。溶质原子在其周围可快速扩散,促进其它γ"相在其周围的沉淀析出,如此连续反应,γ"相在基体中通常是成对或者成团簇状生长析出。通过表征键合能及体积应变,γ",相在Mg基体中为了降低形核能垒,采取高度对称的三明治结构形式沉淀析出,故而γ"相单层析出。根据通常的台阶-增厚机制模型,溶质原子在α-Mg/γ"异质界面附近的扩散热力学和动力学表明溶质原子在实际时效过程中（～200℃）并不倾向于向异质界面处迁移,能够扩散至相界面处的溶质原子极少。此外,较低的时效温度以及几乎完全共格的α-Mg/γ"异质界面导致缺乏锚定溶质原子的稳定形核位点,台阶在相界面处极难形核。故而,γ"相在等温时效过程中始终保持二维生长。
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