鎂鋁合金異質(zhì)形核界面結(jié)構(gòu)與特征的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)材料之一,同時(shí)擁有重量輕、強(qiáng)度高等眾多優(yōu)點(diǎn),在汽車(chē)、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(gè)熱點(diǎn)。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(huì)影響鎂合金晶粒尺寸。由于針對(duì)異質(zhì)形核過(guò)程中界面問(wèn)題的研究手段較單一,對(duì)于碳化物粒子、微量元素影響凝固組織的作用機(jī)制至今仍存在很多爭(zhēng)議。本文以Mg-Al-Mn合金中a-Mg的異質(zhì)形核過(guò)程為研究對(duì)象,針對(duì)a-Mg與異質(zhì)核心的界面結(jié)構(gòu)與特性開(kāi)展理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(jī)制。
　　通過(guò)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(cè)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(shí)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(jìn)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(duì)細(xì)化效果具有一定的影響,過(guò)量的Mn將會(huì)引起晶粒的粗化。對(duì)異質(zhì)形核基底的微觀界面機(jī)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(jìn)α-Mg細(xì)化。
　　采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢(shì)平面波方法,計(jì)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(duì)界面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先,對(duì)Mg(002)/ε-AlMn(001)界面的計(jì)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(jì)算方法無(wú)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(huì)導(dǎo)致α-Mg/Al-Mn相界面能計(jì)算值偏高,難以準(zhǔn)確評(píng)估ε-AlMn相形核粒子的形核潛力。其次,對(duì)Mg(002)/Al2CO(001)界面的計(jì)算結(jié)果表明:在 Mg(002)/Al2CO(001)界面處,有較強(qiáng)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(shì)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(jì)算為Al2CO異質(zhì)形核假說(shuō)提供了強(qiáng)有力的理論支持。最后,通過(guò)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(bǔ)償?shù)腁lMn2和CMn終止面。對(duì)四種終止結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行