新型Mg-Gd-(Sn)合金时效析出相的结构演变的第一性原理计算与实验研究

本项目拟通过第一性原理计算，辅以集团变分法（CVM）和相图计算,解析Mg-Gd合金时效过程中析出相的稳定性与结构转变，澄清Mg-Gd二元系合金时效早中期析出相的析出贯序问题，揭示合金化元素Sn对Mg-Gd合金亚稳析出相热稳定性的影响。实验制备不同成分的Mg-(1～4at.%)Gd-(1～3at.%)Sn合金，固溶处理后在200-400℃内时效处理，通过高分辨透射电镜分析不同时效时期下析出相的结构与成分，明确析出相对合金强度的影响，与计算结果相互校验。据此，构建Mg-Gd和Mg-Gd-Sn合金时效析出相结构/成分与时效制度（温度，时间）之间的关系，为设计新型高强高韧Mg合金提供基础数据。同时，也为构建合理的计算模型和方法来预测时效析出相的结构探索新的思路。

本项目成功的应用第一性原理热力学计算，从理论上澄清了Mg-Gd二元合金的三步亚稳析出惯序，即：α-Mg(SSSS) → β′′(D019 ) → β′(c-bco ) → β(fcc)；应用电子键合密度分析解释了β'析出相作为高强相的原因；通过对Mg52RE2(RE=Sc, Y, Gd-Tm)二元合金固溶强化效果及强化机理的研究，发现其体模量和强度由稀土元素外层价电子轨道局域性的强弱来决定；由Mg54(Cu1-xAgx)35Y11 (0<x≤0.5)四元非晶合金其局域结构和力学性能关系的研究，总结出多组元金属玻璃的强度由二十面体的键序数量决定，高的二十面体键序和低自由体积会导致非晶合金的高强度，而晶类键序和高自由体积会改善金属玻璃的塑性。. 实验上，我们基于扩散偶法重新测定Y, Nd, Gd在Mg基体中的的最大固溶度可分别达到4.7 at.% Y, 3.2 at.% Nd, 以及7.1 at.% Gd，均高于目前相图所提供的数据。测定了Mg-Gd-Sn三元系合金在300 ℃、400 ℃平衡相的组成以及各相成分。. 本项目所构建的合金时效析出相结构/成分与时效制度之间的关系，以及相结构与力学性能之间的关系，为设计新型高强高韧Mg合金提供基础数据。同时，所采用的计算模型和方法对于理论预测合金相结构和力学性能提供了新的思路。