《Acta Materialia》：镁合金溶质原子和空位簇之间的相互作用！|成核|偏析|acta materialia
发布日期：2025-01-04 16:26 点击次数：158
溶质偏析是金属合金析出和时效硬化的初始步骤。在过去的几十年里，固相加工和增材制造研究团体一直致力于揭示溶质偏析、成核和沉淀途径的基本机制，其总体目标是提高合金的机械性能。一种方法是研究缺陷如何影响热机械过程。已经研究了许多不同的加工技术，如辐照和大塑性变形。这些技术会产生晶格缺陷，例如位错和空位，这些缺陷通常会加速溶质的聚集和沉淀。虽然位错对溶质聚集的作用已经明确，但主要由于实验观察的挑战，空位的影响仍未完全了解。一方面，空位通过空位增强扩散加速沉淀动力学的作用已得到广泛认可，并被用于控制沉淀过程。另一方面，空位在沉淀物成核中所起的热力学作用并未引起人们的广泛关注。原子尺度计算表明，在镁合金中存在空位簇的情况下，应力效应和化学结合都会导致溶质的重新分布，从而导致热力学驱动的溶质偏析。随着空位簇大小的增加，化学结合相对于应力变得更加重要。这些溶质-空位相互作用也会影响固溶体中空位和空位簇的扩散率。来自美国约翰霍普金斯大学的学者通过模拟手段发现溶质原子加速单空位扩散但减慢空位团的扩散。结果表明，溶质原子促进了聚集并稳定了所产生的空位团簇，增加了它们促进溶质分离并在沉淀过程中充当异质成核位点的潜力。同时变形和时效的 Mg-Al 合金中溶质偏析的实验观察为该机制提供了支持。相关文章以“The interplay between solute atoms and vacancy clusters in magnesium alloys”标题发表在Acta Materialia。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118805图 1. （a）–（c） 溶质浓度与距空位簇中心的距离的函数插图：(a) 5 聚体、(b) 13 聚体和(c) 57 聚体的照片。(d) 空位团的回转半径作为四种不同温度下空位团大小的函数。图 2. 使用 MEAM 电势计算的结果。(a) 在450 K 且外部压力为零的情况下，局部静水压力与纯 Mg 空位簇中心距离的函数关系。(b) 溶质-空位结合能作为溶质-空位对距离的函数。(c) 0 K 时的表面能作为 Mg-Al、Mg-Y 和 Mg-Zn 系统溶质浓度的函数。图 3. 纯镁中不同尺寸空位团的扩散系数。(a) 扩散系数作为四个不同温度下空位簇大小的函数，箭头指向不同温度下的临界核大小，(b)不同大小的空位簇扩散系数的温度依赖性，(c) 扩散系数预-因子D0作为空位簇大小的函数，(d) 扩散势垒 Ed作为空位簇大小的函数。图 4. 在 450 K 时，(a) 单空位、(b) 9 聚体和 (c) 13 聚体在随机固溶体中的扩散系数的溶质浓度依赖性。线条是拟合结果。图 5. (a) 来自挤压态 Mg-8.2 的针状样品（试样 1）中铝溶质原子的 APT 图. (b) 穿过晶界的一维成分分布，其中位置和方向由 (a) 中的红色箭头表示。(c) 样品 1 中 450 个原子的组成直方图。(d)样品 1 中溶质 2NN 对距离的直方图。(e) 第二个针状样品（样品 2）中铝溶质原子的 APT 图提取样品 1 的相同Mg-Al 合金。(f) 使用最大分离法在样本 2 的切片中识别的溶质簇。(g) 样本 2 中 500 个原子的组成直方图。总之，本研究使用原子模拟来证明空位簇引起的溶质分离/耗尽，并且溶质原子可以反过来稳定空位簇。这种相互作用可以延长空位团的寿命，作为溶质偏析和金属间化合物析出的异质位点。本研究对动态时效 Mg-Al 合金溶质偏析的实验观察，在静态时效 Mg-Al 合金中不存在，为这种机制提供了强有力的支持。它表明，仔细选择工艺参数以设计适量的空位生成可以用作强化镁合金的设计工具。从这项研究和其他一些研究中，使用缺陷驱动析出的方法可以应用于一系列二元和三元合金。本研究预计在含稀土镁合金的情况下效果会更强，因为与相同体积分数水平的高密度基底沉淀板相比，高密度棱柱沉淀板提供更高的屈服强度增量。使用例如正电子湮灭寿命光谱 (PALS)、原子电子断层扫描 (AET) 和高分辨率 TEM 的组合对空位团进行进一步的实验表征，对于发展对该机制的定量理解至关重要。这些新颖的实验工具与从 DFT 到晶体塑性建模的先进计算工具相结合，可以帮助实现“设计材料”框架，该框架可以准确预测原子尺度缺陷物理学指导的各种金属合金系统的加工路径。（文：SSC）本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。
