Acta Mater.：實驗和第一性原理視角探究Mg基二元合金的界面偏析和斷裂

【引言】

鎂合金有望成為下一代輕量化結構材料，然而，加工后的鎂合金由于室溫成形性差無法廣泛應用。低成形性是由于鎂合金的低韌性和斷裂強度引起的，低韌性是由于鎂合金為HCP結構，有較強的塑性各向異性，低斷裂強度是由于其電子結構的本征特性所致。目前，提高鎂合金力學性能主要通過織構控制和引入溶質原子兩個手段。固溶強化是一種增強材料的常見方法，溶質對鎂合金韌性的作用已通過位錯移動和纖維結構進行過研究，然而，要想找到具有理想可加工性的鎂合金，仍需要做大量工作。

【成果簡介】

近日，日本原子能機構/京都大學的T. Tsuru教授在Acta Materialia上發表最新研究成果“Interfacial segregation and fracture in Mg-based binary alloys: Experimental and first principles perspective”。文章通過第一性原理密度泛函理論計算結合實驗觀察及界面斷裂力學，對鎂合金中溶質元素對界面偏析和斷裂的作用進行了研究。基于鎂合金脆性斷裂的假設，界面偏析是由偏析溶質引起的，用基于能量的斷裂標準可以有效描述，結果與Mg-M二元合金的實驗測試所得斷裂強度很好地符合。電子相互作用，即界面和表面之間電子態的變化，主要影響分離的理想功，與界面類型無關。

【圖文導讀】

圖1：理想分裂的概念化能量圖景，純金屬表面和界面偏析能和加入特定溶質后的能量變化。

圖2： 純Mg中弛豫原子構型。

(a)(10-11)?

(b)(10-12) ?

?(c)(30-32).

每個界面處用DFT計算得到的可能偏析位用A-F表示。

圖3：純Mg中，(10-11)、(10-12)、(30-32)的表面/界面能和偏析的理想功。

圖4：斷裂強度和偏析能之間的關系。

分別表示Mg-0.1at.%Ca,Zr,Mn,Ag和Pb合金,和Mg-0.3at.%Li,Ca,Al,Mn,Zn,Ag和Pb合金的

(a)孿晶界

(b)表面。

圖5：(a)(10-11)? (b)(10-12) ??(c)(30-32)孿晶界的Voronoi多面體。

A-F位是可能的偏析位，這些位置的局域原子體積比和完美晶體孿晶界相比低。

圖6：(a)(10-11)? (b)(10-12) ??(c)(30-32)孿晶界的偏析能和原子半徑之間的關系。

紅色和藍色位置分別表示壓縮位和膨脹位。

圖7：(a)(10-11)? (b)(10-12) ??(c)(30-32)孿晶界的界面分離理想功和原子半徑之間的關系。

紅色和藍色位置分別表示壓縮位和膨脹位。

圖8：(a)孿晶界和(b)表面的溶質元素的偏析能。界面處偏析能根據不同位置的應變能差異而不同，而取決于溶質元素種類的表面能表示出相同的趨勢。

圖9：(a)(10-11)? (b)(10-12) ??(c)(30-32)孿晶界處，位置占據（12.5-100%）的界面分離所需理想功。

圖10：純Mg的孿晶界和表面的電子態。

(a)壓縮位和膨脹位以及完美晶體的s帶和p帶的局域態密度；

(b)能量范圍-8至-4和-4至0eV的偏電荷密度。

圖11：(a)-(c)表面處偏析的A-C族溶質的局域態密度。

圖12：孿晶界和表面處在(a)Pb,(b)Zn和(c)Zr附近的Mg的局域態密度。

【小結】

文章基于實驗和密度泛函理論計算結合斷裂的能量平衡標準，研究了溶質原子對Mg-M二元合金的界面斷裂的作用。多數溶質元素可以分離進入壓縮位或膨脹位來減輕應變能，而表面分離能主要受溶質元素類型控制，與局域構型無關。從而，分離的理想功由溶質決定，使得聚合和解聚的趨勢可以根據溶質原子來預測。作者得到了溶質元素在相對脆的金屬中對斷裂的影響。界面和表面處電子相互作用的差異決定了界面分離的關鍵特性。在s和p元素和占據d金屬的能量幾乎沒有變化。Zr在Mg和溶質的交界區域產生d-p雜化，表面處束縛明顯改變，和純金屬中的表面性質不同。可以得出結論：電子相互作用在塊體和表面的差異決定了二元合金的斷裂強度。

文獻鏈接：Interfacial segregation and fracture in Mg-based binary alloys: Experimental and first-principles perspective（Acta Mater.，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.03.061）

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料人重磅推出材料計算解決方案，組建了一支來自全國知名高校老師及企業工程師的科技顧問團隊，專注于為大家解決各類計算模擬需求。如果您有需求，歡迎掃以下二維碼提交您的需求。或點擊鏈接提交，或直接聯系微信客服（微信號：iceshigu）