镁钪轻质形状记忆合金马氏体相变机理的理论研究

Light weight functional alloys are promising candidate material for aerospace application. Recent experiment find a light weight MgSc alloy that shows shape memory effect. However, we know very little about the physical properties of this alloy. Here we plan to study the martensitic (MT) transformation mechanism by using first principles calculation. By employing the Density Functional Theory calculation, we try to screen out the candidate martensitic phases corresponding to the parent β phase of MgSc alloy. According to the comprehensive analysis on calculated thermodynamic potentials of the parent phase and each martensitic phase，elastic constant softening，destabilized phonon mode，and electronic structure, we try to shed light on the physics behind the thermoelastic martensitic transformation. And further, according to the systematic study on the ideal strength and critical resolved shear stress, and electronic structure analysis, the atomistic origin of stress induced martensitic transformation is to be demonstrated. Our study can be a reference for experimental investigation of the light weight shape memory alloy.

轻量化的功能合金材料在航空航天等方面具有很好的应用前景。最近实验发现轻质MgSc合金具有形状记忆效应，但是我们对该合金物理性质的了解非常有限，因此本立项拟采用第一性原理计算方法研究MgSc合金马氏体相变的物理机理。通过密度泛函理论计算筛选出对应于MgSc合金母相(β相)可能的马氏体相结构；对母相和马氏体相热力学势差值，弹性系数软化，声子模失稳、电子结构等的系统分析，试图阐明MgSc合金热弹性马氏体相变的物理机理；通过理想强度和临界切应力的系统研究和电子结构分析，理解应力诱导马氏体相变的原子层面物理机制，为实验研究轻质形状记忆合金提供参考性依据。

按照项目研究计划，围绕MgSc合金马氏体相的稳定性、力学性质、热力学性质和马氏体相变机理等方面开展了研究工作，取得了以下成果：（1）阐明了Mg1-xScx合金马氏体相稳定性的机制，Sc含量较小（x < 17 at.%）时形成hcp相，Sc含量较大（x >=17 at.%）时形成正交相。而且Sc含量较大时非常容易形成长程有序相，长程有序是稳定化正交相的主要原因。（2）研究了MgSc合金马氏体相和奥氏体相的力学性质。MgSc合金中Sc固溶具有力学强化作用，杨氏模量、剪切模量、理想拉伸强度等随Sc组分显著增加。长程有序化对bcc相有稳定化作用，同时其力学强化作用比固溶强化作用更强，尤其是Mg80Sc20杨氏模量和剪切模量增加可达到10%以上。Hcp相的稳定层错能随着Sc含量增加而减小，即Sc合金化促进层间滑移和改组，对合金具有一定的韧化作用。（3）bcc相MgSc合金在Sc含量较小时声子出现虚频，动力学不稳定。Bcc相的失稳与费米面嵌套有关，但是Sc含量增加至20.83 at.% 时声子虚频消失，费米面嵌套也不明显。因此不同Sc含量合金的马氏体相变机理不同，这也就解释了实验上低Sc含量合金存在热诱导马氏体相变，而Sc-20.5 at.% 不存在热诱导马氏体相变的原因。（4）MgSc 合金中的空位形成很小，Mg的扩散势垒也很小，因此合金在较小的扰动下就可以产生扩散和有序化，因此在马氏体相变过程中也有可能存在一定程度的扩散和有序化，因此MgSc合金的马氏体相变可能不是简单的无扩散相变。（5）根据MgSc合金相变的特点研究了应力诱导马氏体相变，单晶合金马氏体相变沿Burgers路径进行，首先在bcc [110]晶向拉伸至应变达到~ 6.8%时，产生层间滑移改组，形成正交相。马氏体相变的临界应力（屈服应力）随着Sc含量增加而增加，相变势垒随Sc含量增加而减小。这一结果能够合理解释实验观察到的Sc含量小时转变温度高的结论。本项目的研究对MgSc合金的力学、热力学和相变等问题给出了清晰的图像，为于进一步调控MgSc基合金的马氏体相变提供理论支撑，为实际应用奠定了基础。