鎂鋁合金異質(zhì)形核界面結(jié)構(gòu)與特征的理論計算和實驗研究.pdf

1、鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)材料之一,同時擁有重量輕、強度高等眾多優(yōu)點,在汽車、航空航天器、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是由于鎂合金的塑性變形能力較差,在很大程度上限制了其應(yīng)用和發(fā)展?？刂凭Я６却笮】梢杂行p少組織缺陷,提高合金力學(xué)性能。因此,如何獲得晶粒細(xì)小、成分均勻的凝固組織是目前鎂合金研究的一個熱點。在各種晶粒細(xì)化方法中,碳質(zhì)細(xì)化法成為工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的晶粒細(xì)化技術(shù),其中Al4C3及Al2CO被認(rèn)為是有效的異質(zhì)形核核心。此外,合

2、金中的雜質(zhì)元素如Mn、Fe等也會影響鎂合金晶粒尺寸。由于針對異質(zhì)形核過程中界面問題的研究手段較單一,對于碳化物粒子、微量元素影響凝固組織的作用機制至今仍存在很多爭議。本文以Mg-Al-Mn合金中a-Mg的異質(zhì)形核過程為研究對象,針對a-Mg與異質(zhì)核心的界面結(jié)構(gòu)與特性開展理論計算和實驗研究,互相取證,以揭示Mg-Al合金中a-Mg異質(zhì)形核的核心內(nèi)在機制。
　　通過向Mg-6Al合金中添加Mn-25Al中間合金和碳質(zhì)變質(zhì)劑,采用多種分

3、析測試手段觀察晶粒度的大小和異質(zhì)相的形貌,發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)變質(zhì)劑和 Mn-25Al中間合金都具有一定的細(xì)化效果。XRD和掃描電鏡的分析結(jié)果均證實了ε-AlMn相在Mn-25Al中間合金和鎂合金組織中的存在,均勻分散的圓形顆粒狀ε-AlMn相能促進a-Mg晶粒的細(xì)化。添加碳質(zhì)變質(zhì)劑后形成的 Al-C-O-Mn(Fe)異質(zhì)相對細(xì)化效果具有一定的影響,過量的Mn將會引起晶粒的粗化。對異質(zhì)形核基底的微觀界面機制的分析表明,ε-AlMn、Al4C3和Al

4、2CO均能作為形核核心,共同促進α-Mg細(xì)化。
　　采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢平面波方法,計算并詳細(xì)分析了ε-AlMn(001)、Al2CO(001)表面和AlCMn3(111)密排面不同終止結(jié)構(gòu)模型的表面弛豫、原子結(jié)構(gòu)、表面能量及表面電子態(tài)密度。然后采用比較穩(wěn)定的表面構(gòu)建界面模型,并對界面的穩(wěn)定性進行分析。首先,對Mg(002)/ε-AlMn(001)界面的計算結(jié)果表明,“Over Mn”型的 Al、Mn終止堆垛結(jié)構(gòu)較

5、為穩(wěn)定。由于ε-AlMn相是一種混合原子結(jié)構(gòu),采用虛擬晶格近似(VCA)的計算方法無法具體分析原子之間成鍵情況和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。而根據(jù)混合原子晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)的單原子占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)破壞了原有混合原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,會導(dǎo)致α-Mg/Al-Mn相界面能計算值偏高,難以準(zhǔn)確評估ε-AlMn相形核粒子的形核潛力。其次,對Mg(002)/Al2CO(001)界面的計算結(jié)果表明:在 Mg(002)/Al2CO(001)界面處,有較強的混合離子/金屬鍵形成。因

6、此,“Over O”堆垛結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。界面能的大小與Al和C的化學(xué)勢呈線性變化關(guān)系。在一定的條件下,Al2CO粒子可以作為a-Mg有效形核基底,穩(wěn)定存在于Mg-Al合金中。因此,Al2CO與a-Mg界面原子結(jié)構(gòu)和能量的計算為Al2CO異質(zhì)形核假說提供了強有力的理論支持。最后,通過分析 AlCMn3晶格特征發(fā)現(xiàn):AlCMn3(111)密排面可分為直觀的AlMn3和C終止面以及產(chǎn)生極性補償?shù)腁lMn2和CMn終止面。對四種終止結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行