上海大学Acta Materialia: ZK系镁合金微合金强化机理研究

【前言】

镁合金是目前最轻的金属结构材料， ZK系镁合金是目前应用广泛的高强镁合金。本文采用计算材料学方法揭示了微合金化增强析出相密度的机理。Guinier-Preston区（GP区）是ZK系镁合金中的初期析出相，对析出强化效果有着重要的作用。本文系统研究了Ag，Ca，Al，Zr等四种微合金化元素对GP区稳定性的影响。发现含Ag和Ca元素能提高GP区形成能，而Al和Zr则无法提高GP区形成能，由此推测Ag和Ca具有增加GP区稳定性，提高其形核率的效果；而Al和Zr不具有提高形核率的效果；这与实验上Ag和Ca能增加析出相GP区密度但Al和Zr无此效果相一致。论文还探索了这些合金元素在GP区中的电子结构特征：发现Ca在GP区中其成键态增强，而Al和Zr在GP区中其反键态增强；这分别导致了体系稳定性的增加和减弱。 而Ag增强GP区的稳定性是源于其能减弱体系的泡利排斥能，从而导致体系稳定性增强。通过对ZK系微合金化机理的研究，该课题的研究者们探索了如何将材料关键热力学量与材料宏观性质改变进行关联的可行性，并试图从电子结构理解影响热力学量的成因。目前，该课题的研究者们正在研究如何通过电子结构特征来预估合金元素在特定合金中的宏观性能的影响。

ZK系合金是目前强度较大的商用镁合金，但其强度仍然不能满足实际需要。合金元素能改变ZK系合金析出强化效果，研究合金元素对析出强化机理的影响有着重要意义。本文提出GP区稳定性是影响析出相初期成核的主要因素。本文构建了一系列三明治模型结构来表达GP区的原子结构，这些三明治结构可以按照惯析面方向(0001), (10-10)和(11-20)分为三类，如图1（a），1（b）和1（c）中所示，分别为(0001), (10-10)和(11-20)面。

 图 1 惯析面平行于(0001)_Mg，(10-10)_Mg和(11-20)_Mg晶面的三明治结构原子结构图。

 从图2可知， Ag和Ca能够增强Mg-Zn合金中GP区的稳定性，进而导致析出相密度增加，最终使得合金析出相强化效果得到提高，这与实验上Mg-Zn-Ag和Mg-Zn-Ca的时效强化效果比Mg-Zn的效果好相一致。

另外，计算结果还显示同时含有Ag和Ca的GP区在各个惯析面析出的形成能更加相近，使得GP区析出几率进一步增大，因此同时添加两种元素Ag和Ca的强化效果比只添加一种元素的强化效果好，这与实验上Mg-Zn-Ag-Ca的时效强化效应要比Mg-Zn-Ag或Mg-Zn-Ca的效果好相一致。然而，Zr和Al会降低GP区的稳定性，因此Zr和Al不能在GP区的中偏析。这说明Zr和Al并不会增加Mg-Zn合金的析出强化效果，这与实验上Mg-Zn-Al强度并不比Mg-Zn合金强度大相一致。

 图2三明治结构Mg_xZn_1-yM_y (M = Ag, Ca, Zr and Al)的形成能与合金M(y)浓度的关系图。

 图3  Mg₇Zn_0.75M_0.25(11-20)结构中合金元素M (M = Ag, Ca, Zr, Al)(红色曲线)和其平衡态结构中M原子(黑色曲线)局域态密度对比。

 我们以典型的Mg₇Zn_0.75M_0.25(11-20)为例子来分析电子结构与形成能的关系。由图3可知，合金元素Ag态密度比其平衡态更局域，反映其泡利排斥能降低。因此，在该结构中加入Ag将使其能量降低，这与形成能计算结果相吻合。 注意到，Ag、 Ca、 Zr 和Al原子的价电子结构依次分别为4d¹⁰5s¹， 3p⁶4s²， 4d²5s²和3s²3p¹。Ag的d电子所占比重非常高，达90%，而Ca、Zr和Al的d电子占比分别为0，50%和0。相较于Ca，Zr和Al原子，Ag原子电子态更局域。在三明治结构中Ag电子态比平衡态Ag电子态更加局域，是因为在平衡态结构中临近Ag原子的d电子态互相耦合，引起能带展宽。在三明治结构中Ag原子无此效应。对于Ca，在低于费米能级的部分，相较于平衡态，三明治结构中Ca的电子态更多，成键态增强，所以形成能降低。对于Zr和Al，在费米面以下，三明治结构中Zr或Al电子态比其平衡态少，费米以上的反键态增强。因此，三明治结构中加入Zr或Al将增加形成能。至此，我们可从电子结构层次理解关键热力学量GP区行成能的变化。

另外，论文还分析合金元素对GP区其他原子电子结构影响（图4），以及合金元素引起的GP区原子结构变化（图5）。

图4 Mg₇Zn_0.75M_0.25(11-20)结构溶质层中Zn原子与其附近Mg原子 (红色曲线)，与其相应平衡态结构中原子(黑色曲线)局域态密度对比。

图5 Mg_xZn_0.5M_0.5 (M = Ag，Ca 和Zr)、Mg_xZn₁和Mg平衡态中原子径向分布函数图，灰色阴影为Mg平衡态结构径向分布函数，x是Mg层数。

注：上述研究发表于Acta Materialia 147:42-50

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.01.01 或 DOI: 10.1016/j.actamat.2018.01.010

本文由上海大学袁蓉供稿，材料人编辑部编辑。

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