鎂合金中多種析出相的位向關系和形貌形成
析出相變是強化鎂合金的重要途徑，其發生的熱力學條件是合金元素在Mg中的固溶度隨溫度降低而**下降。這樣的合金元素有Sn、Al、Zn和稀土（RE）等，因此Mg-Sn、Mg-Al、Mg-Zn和Mg-RE發展成了代表性的可時效強化鎂合金體系。在室溫下和應變速率為10-3 s-1數量級時，大多數鑄態鎂合金的屈服強度（YS）＜180 MPa、抗拉強度（UTS）＜270 MPa、伸長率（EL）＜22%。將塑性加工與時效強化結合，能夠獲得YS＞400 MPa、UTS＞425 MPa、EL＞5%的高強鎂合金。時效強化的本質是形成析出相阻礙缺陷運動，其強化效果由析出相的形貌、相界面結構、體積分數、密度和分布等因素決定。其中，前兩個因素是析出相變晶體學研究的核心。析出相的形貌由相界面定義，宏觀平直的相界面稱為刻面，其原子尺度的結構可能仍然平直或者呈臺階狀。面積大的刻面為主刻面，它的取向**影響析出相對缺陷運動的阻礙效果。當片狀析出相的主刻面與孿晶面平行時，對孿晶界遷移的釘扎效果強；基于Orowan方程，推導出主刻面//{10-10}Mg的片狀析出相具有比主刻面//(0001)Mg的片狀析出相、長軸//[0001]Mg的棒狀析出相和球狀析出相更大的強化作用。析出相變晶體學能夠解釋某種取向的刻面擇優出現的原因，為深入認識固態相變并開展知識-數據驅動的材料設計提供了科學基礎。
擇優出現的刻面通常是奇異界面，其奇異性是指界面能在全域或局部低。如果析出相與合金基體之間有可重復出現的位向關系（OR），那么析出相的刻面（尤其是主刻面）往往也具有可重復出現的特定取向。此時，界面能的奇異性對應了奇異的界面結構，也就是說，奇異界面取向的任何微小偏離，都會在界面上引入至少一組缺陷，包括界面位錯和臺階，導致界面能升高。多種合金體系的研究證實，奇異界面具有位錯-好區結構，其中，好區是析出相與合金基體之間晶格/原子理想匹配的區域，相鄰好區之間分布有界面位錯。在鎂合金中，許多析出相具有復雜原子結構，例如Mg32(Al, Zn)49和Mg2Sn晶體的元胞中分別有162個和12個原子，直接計算它們與鎂基體的界面能很困難。此時，結合O點陣和Δg平行法則的奇異界面模型，在計算界面取向和結構等方面的精度和速度優勢尤為突出。
上述優勢在Mg/Mg2Sn相變體系中集中體現。該體系發生從HCP結構鎂基體到FCC結構Mg2Sn析出相的固態相變，已報道的OR有10余種，包括多種無理OR（即不能完全用低指數晶向/晶面平行來定義的OR），如圖1所示。這些無理OR型Mg2Sn析出相具有傾斜于(0001)Mg的高指數主刻面（見圖1b），它們對鎂基面位錯滑移的阻礙效果更強，具有更高的強化效果。通過奇異界面理論計算發現（見表1），所有高指數主刻面的面法向都平行于Δg//ΔgP。Δg = gα - gβ，其中，gα和gβ分別為Mg基體（α相）和析出相（β相）中低指數晶面對應的倒易矢量；ΔgP = gαP - gβP，其中，gαP和gβP分別為定義相界面好區結構的兩相倒易矢量。面法向平行于Δg矢量的面是Moiré面，它的局部能出現好區；面法向平行于ΔgP矢量的面是O點陣面，它的結構使得局部好區周期性擴展至整個面，形成位錯-好區結構。因此，Δg//ΔgP具有明確的物理意義，它定義了析出相與合金基體之間的位向關系，在這個位向關系下，面法向平行于Δg//ΔgP的相界面是奇異界面。由此可知，用Δg//ΔgP表示位向關系（如表1所示）更貼近析出相變的物理本質。Δg//ΔgP可以在TEM衍射斑中直接測出，為快速確定奇異界面提供了方法。在解釋具有多個高指數刻面的OR5型Mg2Sn析出相（見圖1c）的過程中，發展出了二次重位點陣模型，揭示了相界面通過應變能的小幅提升實現好區周期性分布的優化從而降低界面能的機理。
圖1 鎂合金中的Mg2Sn析出相：（a）7種基面析出相，（b）6種非基面析出相，（c）形貌相似的OR3型和OR5型基面析出相，（d）OR8型和OR9型非基面析出相
表1 Mg2Sn析出相的高指數主刻面法向平行于Δg//ΔgP，θOR是OR的測量與計算結果間的誤差，b是計算得到的界面位錯伯氏矢量
上述基于奇異界面理論對位向關系、擇優界面取向和結構的分析具有推廣性，已成功用于Mg/Mg17Al12、Mg/Mg32(Al, Zn)49和Mg/Mg54Ag17等多個鎂合金析出相變體系中。此外，對于有理位向關系且析出相的擇優生長方向為鎂基體低指數晶向的情況，通過簡單的錯配計算即可解釋，例如Mg-Nd合金中的析出序列，如圖2所示。以奇異界面理論為主線，從低能界面結構的角度，揭示了鎂合金中多種析出相的位向關系和形貌形成的物理本質。
圖2 Mg-Nd合金時效析出相演變示意圖
齊岳微信公眾號
官方微信
庫存查詢