镁科研:镁合金析出相变晶体学

析出相变是强化镁合金的重要途径,其发生的热力学条件是合金元素在Mg中的固溶度随温度降低而显著下降。这样的合金元素有Sn、Al、Zn和稀土(RE)等,因此Mg-Sn、Mg-Al、Mg-Zn和Mg-RE发展成了代表性的可时效强化镁合金体系。在室温下和应变速率为10-3 s-1数量级时,大多数铸态镁合金的屈服强度(YS)<180 MPa、抗拉强度(UTS)<270 MPa、伸长率(EL)<22%。将塑性加工与时效强化结合,能够获得YS>400 MPa、UTS>425 MPa、EL>5%的高强镁合金。时效强化的本质是形成析出相阻碍缺陷运动,其强化效果由析出相的形貌、相界面结构、体积分数、密度和分布等因素决定。其中,前两个因素是析出相变晶体学研究的核心。析出相的形貌由相界面定义,宏观平直的相界面称为刻面,其原子尺度的结构可能仍然平直或者呈台阶状。面积最大的刻面为主刻面,它的取向显著影响析出相对缺陷运动的阻碍效果。当片状析出相的主刻面与孪晶面平行时,对孪晶界迁移的钉扎效果最强;基于Orowan方程,推导出主刻面//{10-10}Mg的片状析出相具有比主刻面//(0001)Mg的片状析出相、长轴//[0001]Mg的棒状析出相和球状析出相更大的强化作用。析出相变晶体学能够解释某种取向的刻面择优出现的原因,为深入认识固态相变并开展知识-数据驱动的材料设计提供了科学基础。

择优出现的刻面通常是奇异界面,其奇异性是指界面能在全域或局部最低。如果析出相与合金基体之间有可重复出现的位向关系(OR),那么析出相的刻面(尤其是主刻面)往往也具有可重复出现的特定取向。此时,界面能的奇异性对应了奇异的界面结构,也就是说,奇异界面取向的任何微小偏离,都会在界面上引入至少一组缺陷,包括界面位错和台阶,导致界面能升高。多种合金体系的研究证实,奇异界面具有位错-好区结构,其中,好区是析出相与合金基体之间晶格/原子理想匹配的区域,相邻好区之间分布有界面位错。在镁合金中,许多析出相具有复杂原子结构,例如Mg32(Al, Zn)49和Mg2Sn晶体的元胞中分别有162个和12个原子,直接计算它们与镁基体的界面能很困难。此时,结合O点阵和Δg平行法则的奇异界面模型,在计算界面取向和结构等方面的精度和速度优势尤为突出。

上述优势在Mg/Mg2Sn相变体系中集中体现。该体系发生从HCP结构镁基体到FCC结构Mg2Sn析出相的固态相变,已报道的OR有10余种,包括多种无理OR(即不能完全用低指数晶向/晶面平行来定义的OR),如图1所示。这些无理OR型Mg2Sn析出相具有倾斜于(0001)Mg的高指数主刻面(见图1b),它们对镁基面位错滑移的阻碍效果更强,具有更高的强化效果。通过奇异界面理论计算发现(见表1),所有高指数主刻面的面法向都平行于Δg//ΔgP。Δg = gα - gβ,其中,gα和gβ分别为Mg基体(α相)和析出相(β相)中低指数晶面对应的倒易矢量;ΔgP = gαP - gβP,其中,gαP和gβP分别为定义相界面好区结构的两相倒易矢量。面法向平行于Δg矢量的面是Moiré面,它的局部能出现好区;面法向平行于ΔgP矢量的面是O点阵面,它的结构使得局部好区周期性扩展至整个面,形成位错-好区结构。因此,Δg//ΔgP具有明确的物理意义,它定义了析出相与合金基体之间的位向关系,在这个位向关系下,面法向平行于Δg//ΔgP的相界面是奇异界面。由此可知,用Δg//ΔgP表示位向关系(如表1所示)更贴近析出相变的物理本质。Δg//ΔgP可以在TEM衍射斑中直接测出,为快速确定奇异界面提供了方法。在解释具有多个高指数刻面的OR5型Mg2Sn析出相(见图1c)的过程中,发展出了二次重位点阵模型,揭示了相界面通过应变能的小幅提升实现好区周期性分布的最优化从而降低界面能的机理。

图1 镁合金中的Mg2Sn析出相:(a)7种基面析出相,(b)6种非基面析出相,(c)形貌相似的OR3型和OR5型基面析出相,(d)OR8型和OR9型非基面析出相

表1 Mg2Sn析出相的高指数主刻面法向平行于Δg//ΔgP,θOR是OR的测量与计算结果间的误差,b是计算得到的界面位错伯氏矢量

上述基于奇异界面理论对位向关系、择优界面取向和结构的分析具有推广性,已成功用于Mg/Mg17Al12、Mg/Mg32(Al, Zn)49和Mg/Mg54Ag17等多个镁合金析出相变体系中。此外,对于有理位向关系且析出相的择优生长方向为镁基体低指数晶向的情况,通过简单的错配计算即可解释,例如Mg-Nd合金中的析出序列,如图2所示。

图2 Mg-Nd合金时效析出相演变示意图

以奇异界面理论为主线,从低能界面结构的角度,揭示了镁合金中多种析出相的位向关系和形貌形成的物理本质。未来,建议从以下方面进一步推进对镁合金中析出相的认识:(1)孪晶界如何影响析出相变晶体学特征?(2)先形成的析出相作为异质形核点,如何影响后形成的析出相的晶体学特征?(3)如何整合先进实验表征结果、奇异界面理论和原子尺度模拟,更加系统深入地研究时效析出序列和析出相的晶体学特征?

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本文作者2021-6-21 14:30
镁途
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