“交我算”助力Mg-Y-Nd合金析出相演化机理研究

导读

在Mg-Y-Nd等沉淀强化镁合金中，其主要强化析出相β1和β′常常形成耦合结构，其中β′析出物附着在β1的两端，呈哑铃状结构。核心问题是，随时效时间延长，当β1在沿其惯习面生长时，附着的β′析出物如何演变。近日，上海交通大学材料科学与工程学院彭立明教授团队对Mg-Y-Nd合金析出相演化机理研究取得重要进展，相关研究成果以“On the evolution of β1/β′ coupled-structures in Mg-Y-Nd alloys: A simulation study”为题在线发表在国际著名期刊Acta Materialia上。材料学院刘泓副教授为第一作者，刘泓副教授、彭立明教授和澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授为共同通讯作者。

β′和β1沉淀颗粒在β1/β′耦合结构中的演变过程

为了解决随时效时间延长，当β1在沿其惯习面生长时，附着的β′析出物如何演变这一问题，本研究采用基于三维相场方法的多尺度模型，模拟β1和β′沉淀颗粒在β1/β′耦合结构中的演变过程。通过透射电镜实验观察和三维相场模拟结果表明，在β1/β′耦合结构中，β1沉淀颗粒呈板条状，β′颗粒附着在β1的两端并沿[0001]方向延伸。随着时效时间增加，β1沉淀颗粒沿惯习面生长，其长度持续增加，而附着的β′析出物仅在β1延伸方向生长，另一方面则会溶解。这种现象造成了β′析出物在固相镁基体中看似“移动”的视觉效果。

如图1所示，根据实验观察确定了初始结构（图 1a），其中 β' 沉淀颗粒位于β1 沉淀颗粒的两端。β1 沉淀颗粒属于变体②+，而 β' 沉淀颗粒属于变体①。随着时间推移（图 1b-1d），β' 和 β1 之间的相互作用沉淀导致耦合结构的形成。在这种结构中，β1 沉淀颗粒具有惯习平面的板状形状（图 1c），而不是孤立的 β1 沉淀颗粒的板状形状。β' 则具有不规则的球状形状，其长轴沿 [0001]。沿 y 轴观察，β' 沉淀颗粒位于 β1 沉淀颗粒的两侧，这与 HAADF-STEM 图像中的观察结果一致。当附着的 β' 沉淀颗粒的变体变为②和③时，耦合结构中 β1 和 β' 沉淀颗粒的形状不会发生显著变化。

图1 β1/β′耦合结构演化的三维相场模拟结果

进一步研究耦合结构中 β' 和 β1 沉淀颗粒的形状和演化行为。如图 2a 所示，当t* = 10,000 时，在（0001）截面的β1/β'模拟耦合结构（图 1d）。β1 的惯习平面与β1/β' 界面之间的夹角 γ 约为 14°，这是由β1 和 β' 沉淀颗粒之间的弹性相互作用引起的，并且随附着的 β' 沉淀颗粒的不同变体而略有不同。这些与实验观察到的Mg-Y-Nd 合金样品中的耦合结构一致。在图 2b 中可以看到，在（0001）α 截面，在 t* = 3000、6000 和 9000演化不同时间时， β' 和 β1 耦合结构的轮廓。研究发现，随着时间的推移，β1 沉淀颗粒尽管受到附加β'的阻碍，继续在 [1120]α 方向延长以最小化弹性应变能。同时，附着的 β' 沉淀颗粒在上部膨胀，而在下部溶解，从而产生 β' 沉淀颗粒被 β1 沉淀颗粒“推”向上的视觉效果，从 t*= 3000 到 t*= 9000，移动距离为 Δl。

图2 当时间步长为10000时，在（0001）截面，β1/β′耦合结构形貌及演化不同时间时，耦合结构的β1和β′颗粒的轮廓

如图3所示，该现象受化学自由能和弹性应变能的相互作用影响。化学自由能促进β′析出物的各向同性生长；同时，由β′析出物及其附着的β1颗粒末端的应力场导致的弹性应变能促使β′析出物的一侧生长而另一侧溶解。

图3 β1/β′耦合结构演化时β′界面处的能量分析：（a）只考虑化学能和界面能，（b）同时考虑化学能、界面能和弹性能，(c) 只考虑弹性能

当耦合结构的演变受附近其他耦合结构的影响时，β′析出物的演变受弹性应变能驱动。总体而言，β′析出物在拉伸应力场中倾向于生长，而在压缩应力场中则倾向于溶解。以上发现为理解镁合金中的析出物演变提供了重要的理论基础。

图4 三组β1/β′耦合结构逐渐靠近时，β1和β′析出相的演化过程

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本研究在上海交通大学“交我算”平台“思源一号”集群上完成了主要的理论计算工作。在DFT研究中，研究团队采用了VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）软件包，以获取材料的电子结构性质，如能带结构、态密度、形成焓等。在相场模拟计算中，研究团队使用高性能的数值计算和可视化软件MATLAB，实现材料微观结构演变的模拟。“交我算”平台为研究团队提供了计算所需的MATLAB软件，协助安装VASP软件，还提供了高性能的计算能力和稳定运行环境，为本研究完成复杂的计算任务提供了有力支持。

图5 论文致谢上海交通大学“交我算”平台“思源一号”