Acta Mater.：实验和第一性原理视角探究Mg基二元合金的界面偏析和断裂

【引言】

镁合金有望成为下一代轻量化结构材料，然而，加工后的镁合金由于室温成形性差无法广泛应用。低成形性是由于镁合金的低韧性和断裂强度引起的，低韧性是由于镁合金为HCP结构，有较强的塑性各向异性，低断裂强度是由于其电子结构的本征特性所致。目前，提高镁合金力学性能主要通过织构控制和引入溶质原子两个手段。固溶强化是一种增强材料的常见方法，溶质对镁合金韧性的作用已通过位错移动和纤维结构进行过研究，然而，要想找到具有理想可加工性的镁合金，仍需要做大量工作。

【成果简介】

近日，日本原子能机构/京都大学的T. Tsuru教授在Acta Materialia上发表最新研究成果“Interfacial segregation and fracture in Mg-based binary alloys: Experimental and first principles perspective”。文章通过第一性原理密度泛函理论计算结合实验观察及界面断裂力学，对镁合金中溶质元素对界面偏析和断裂的作用进行了研究。基于镁合金脆性断裂的假设，界面偏析是由偏析溶质引起的，用基于能量的断裂标准可以有效描述，结果与Mg-M二元合金的实验测试所得断裂强度很好地符合。电子相互作用，即界面和表面之间电子态的变化，主要影响分离的理想功，与界面类型无关。

【图文导读】

图1：理想分裂的概念化能量图景，纯金属表面和界面偏析能和加入特定溶质后的能量变化。

图2： 纯Mg中弛豫原子构型。

(a)(10-11)

(b)(10-12)

(c)(30-32).

每个界面处用DFT计算得到的可能偏析位用A-F表示。

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

图4：断裂强度和偏析能之间的关系。

分别表示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)孪晶界

(b)表面。

图5：(a)(10-11) (b)(10-12) (c)(30-32)孪晶界的Voronoi多面体。

A-F位是可能的偏析位，这些位置的局域原子体积比和完美晶体孪晶界相比低。

图6：(a)(10-11) (b)(10-12) (c)(30-32)孪晶界的偏析能和原子半径之间的关系。

红色和蓝色位置分别表示压缩位和膨胀位。

图7：(a)(10-11) (b)(10-12) (c)(30-32)孪晶界的界面分离理想功和原子半径之间的关系。

红色和蓝色位置分别表示压缩位和膨胀位。

图8：(a)孪晶界和(b)表面的溶质元素的偏析能。界面处偏析能根据不同位置的应变能差异而不同，而取决于溶质元素种类的表面能表示出相同的趋势。

图9：(a)(10-11) (b)(10-12) (c)(30-32)孪晶界处，位置占据（12.5-100%）的界面分离所需理想功。

图10：纯Mg的孪晶界和表面的电子态。

(a)压缩位和膨胀位以及完美晶体的s带和p带的局域态密度；

(b)能量范围-8至-4和-4至0eV的偏电荷密度。

图11：(a)-(c)表面处偏析的A-C族溶质的局域态密度。

图12：孪晶界和表面处在(a)Pb,(b)Zn和(c)Zr附近的Mg的局域态密度。

【小结】

文章基于实验和密度泛函理论计算结合断裂的能量平衡标准，研究了溶质原子对Mg-M二元合金的界面断裂的作用。多数溶质元素可以分离进入压缩位或膨胀位来减轻应变能，而表面分离能主要受溶质元素类型控制，与局域构型无关。从而，分离的理想功由溶质决定，使得聚合和解聚的趋势可以根据溶质原子来预测。作者得到了溶质元素在相对脆的金属中对断裂的影响。界面和表面处电子相互作用的差异决定了界面分离的关键特性。在s和p元素和占据d金属的能量几乎没有变化。Zr在Mg和溶质的交界区域产生d-p杂化，表面处束缚明显改变，和纯金属中的表面性质不同。可以得出结论：电子相互作用在块体和表面的差异决定了二元合金的断裂强度。

文献链接：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）

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