Acta Mater.：Mg-Y、Mg-Al和Mg-Zn合金中堆垛層錯能和對?c+a?活性的影響的第一性原理計算

【引言】

Mg是一種輕質金屬，室溫下其密度為1.738g/cm³，這僅為Fe密度的22％，Al密度的64％。通過增加Mg或Mg合金在汽車和航空航天工業中的使用量可以實現運輸工具的高能效。Mg在人體內的生物相容性也使得其對生物醫學設備及移植材料的應用具有巨大的吸引力。然而，Mg很脆。與其它金屬如Al、Ti及其合金相比，它具有低延展性和低斷裂韌性。這使得Mg難以在室溫下形成，并限制了其在耐損結構組分中的應用。鑒于其巨大的潛力和當前的挑戰，目前世界上正積極開展對延性Mg合金的研究。

【成果簡介】

近日，洛桑聯邦理工學院的Zhaoxuan Wu（通訊作者）在Acta Mater.上發表了題為“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。在這篇文章中，作者使用精確的第一原理方法和計算來評估與當前實驗相關的稀釋極限中所有相關的SF能量作為Y、Al和Zn濃度的函數。結果表明，不同溶質之間以及相同溶質的不同SF之間的溶質效應不同。與目前廣泛接受的假設相反，Mg-3wt.%RE合金中增強?c+a?活性似乎并不與這些SF能量直接相關。Y引起的Pyr. II、I SF能量的減少量對易滑動的Pyr. II、I位錯轉變為無柄基底平面解離結構的熱力學驅動力產生的影響也很小。相對于Al和Zn，溶質Y只能突出地影響金字塔形SF能量。這些結果表明了精確的第一原理計算在適當溶質濃度下對固溶合金化研究的重要性，這使得定量評估與延展性相關的潛在位錯現象成為可能。

【圖文導讀】

圖一：Mg晶格中的基面、Pyr. I面、Pyr. II面，及各面的SF

(a)塊狀Mg具有比fcc和bcc金屬的對稱性還低的hcp結構，以及Pyr. II、Pyr. I面。

(b-d)圖(b-d)分別展示基面、Pyr. I、Pyr. II的SF。

圖二：用于SF能量計算的超級晶胞的原理圖

(a)對于基面I₁層錯所使用的周期性雙層錯超級晶胞幾何結構。

(b)對于可由單一滑動造成的其他SF所使用的傾斜晶胞幾何結構。

圖三：溶質-SF相互作用能E_int(d₁)關于面內超晶胞尺寸及面內濃度c_p的函數

(a-d)對于基面I₁(a)、I₂(b)、Pyr. I-W(c)、Pyr. II(d)溶質-SF相互作用能E_int(d₁)關于面內超晶胞尺寸及面內濃度c_p的函數。

圖四：溶質-SF相互作用能關于距離的函數

(a-c)對于(a) basal I1、(b) basal I2、(c) Pyr. I-W SF2，溶質-SF相互作用能關于距離的函數。

圖五：形成和遷移該SF所需的原子位移

(a)原子滑移和改組，用于在hcp結構的滑移平面上創建SF。

(b)將SF從(a)遷移到虛線所示的新的“滑移”平面的改組運動。

(c)SF形成和遷移過程中綠層上的原子總位移。

圖六：計算Pyr. II SF1的溶質-SF相互作用能的三種方式

(a)溶質放置在堆垛層錯兩側相等平面上的2溶質方法。

(b)約束1方法，其中在堆垛層錯誤平面處的溶質下方的原子被限制為x₁位移，通過減去估計的約束能量來校正。

(c)約束2方法，其中在溶質下面的平面d_-1、d_-3和d_-2、d_-4中的每對Mg原子的x₁位移被限制在x₁方向上一起移動。

(d)由虛線框指示的一個基面旋轉并示出另一個方向。

【小結】

本文作者提出了計算溶質-SF相互作用能的詳細方法，并提供了Y、Al和Zn溶質對Mg中所有相關SF能量的影響的定量評估。研究結果表明，各種溶質在各種基面和金字塔式SF之間會產生非常不同的效果，這可以產生高?c+a?活性和延性Mg，并觀察到Al和Zn沒有產生相同水平的?c+a?活性或高延展性。Y和其他RE溶質的影響與基面SF無直接關系，因此基面I₁ SF能量不可能是實現韌性Mg的關鍵設計參數。此外，溶質似乎不會顯著改變Pyr的有害轉化。但結果表明，增強的延展性與溶質對兩個錐體平面的SF和位錯的不同影響有關。總體而言，對Mg大部分層錯的溶質/ SF能量的研究結果提供了一個數據庫，可用于評估造成Mg合金延展性的機理。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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