Acta Mater.：Mg-Y、Mg-Al和Mg-Zn合金中堆垛层错能和对⟨c+a⟩活性的影响的第一性原理计算

【引言】

Mg是一种轻质金属，室温下其密度为1.738g/cm³，这仅为Fe密度的22％，Al密度的64％。通过增加Mg或Mg合金在汽车和航空航天工业中的使用量可以实现运输工具的高能效。Mg在人体内的生物相容性也使得其对生物医学设备及移植材料的应用具有巨大的吸引力。然而，Mg很脆。与其它金属如Al、Ti及其合金相比，它具有低延展性和低断裂韧性。这使得Mg难以在室温下形成，并限制了其在耐损结构组分中的应用。鉴于其巨大的潜力和当前的挑战，目前世界上正积极开展对延性Mg合金的研究。

【成果简介】

近日，洛桑联邦理工学院的Zhaoxuan Wu（通讯作者）在Acta Mater.上发表了题为“First-principles calculations of stacking fault energies in Mg-Y, Mg-Al and Mg-Zn alloys and implications for ⟨c + a⟩ activity”的文章。在这篇文章中，作者使用精确的第一原理方法和计算来评估与当前实验相关的稀释极限中所有相关的SF能量作为Y、Al和Zn浓度的函数。结果表明，不同溶质之间以及相同溶质的不同SF之间的溶质效应不同。与目前广泛接受的假设相反，Mg-3wt.%RE合金中增强⟨c+a⟩活性似乎并不与这些SF能量直接相关。Y引起的Pyr. II、I SF能量的减少量对易滑动的Pyr. II、I位错转变为无柄基底平面解离结构的热力学驱动力产生的影响也很小。相对于Al和Zn，溶质Y只能突出地影响金字塔形SF能量。这些结果表明了精确的第一原理计算在适当溶质浓度下对固溶合金化研究的重要性，这使得定量评估与延展性相关的潜在位错现象成为可能。

【图文导读】

图一：Mg晶格中的基面、Pyr. I面、Pyr. II面，及各面的SF

(a)块状Mg具有比fcc和bcc金属的对称性还低的hcp结构，以及Pyr. II、Pyr. I面。

(b-d)图(b-d)分别展示基面、Pyr. I、Pyr. II的SF。

图二：用于SF能量计算的超级晶胞的原理图

(a)对于基面I₁层错所使用的周期性双层错超级晶胞几何结构。

(b)对于可由单一滑动造成的其他SF所使用的倾斜晶胞几何结构。

图三：溶质-SF相互作用能E_int(d₁)关于面内超晶胞尺寸及面内浓度c_p的函数

(a-d)对于基面I₁(a)、I₂(b)、Pyr. I-W(c)、Pyr. II(d)溶质-SF相互作用能E_int(d₁)关于面内超晶胞尺寸及面内浓度c_p的函数。

图四：溶质-SF相互作用能关于距离的函数

(a-c)对于(a) basal I1、(b) basal I2、(c) Pyr. I-W SF2，溶质-SF相互作用能关于距离的函数。

图五：形成和迁移该SF所需的原子位移

(a)原子滑移和改组，用于在hcp结构的滑移平面上创建SF。

(b)将SF从(a)迁移到虚线所示的新的“滑移”平面的改组运动。

(c)SF形成和迁移过程中绿层上的原子总位移。

图六：计算Pyr. II SF1的溶质-SF相互作用能的三种方式

(a)溶质放置在堆垛层错两侧相等平面上的2溶质方法。

(b)约束1方法，其中在堆垛层错误平面处的溶质下方的原子被限制为x₁位移，通过减去估计的约束能量来校正。

(c)约束2方法，其中在溶质下面的平面d_-1、d_-3和d_-2、d_-4中的每对Mg原子的x₁位移被限制在x₁方向上一起移动。

(d)由虚线框指示的一个基面旋转并示出另一个方向。

【小结】

本文作者提出了计算溶质-SF相互作用能的详细方法，并提供了Y、Al和Zn溶质对Mg中所有相关SF能量的影响的定量评估。研究结果表明，各种溶质在各种基面和金字塔式SF之间会产生非常不同的效果，这可以产生高⟨c+a⟩活性和延性Mg，并观察到Al和Zn没有产生相同水平的⟨c+a⟩活性或高延展性。Y和其他RE溶质的影响与基面SF无直接关系，因此基面I₁ SF能量不可能是实现韧性Mg的关键设计参数。此外，溶质似乎不会显着改变Pyr的有害转化。但结果表明，增强的延展性与溶质对两个锥体平面的SF和位错的不同影响有关。总体而言，对Mg大部分层错的溶质/ SF能量的研究结果提供了一个数据库，可用于评估造成Mg合金延展性的机理。

文献链接：First-principles calculations of stacking fault energies in Mg-Y, Mg-Al and Mg-Zn alloys and implications for ⟨c + a⟩ activity（Acta Mater.2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.06.062）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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