Mg-1.7Gd-0.9Y(at.%)合金时效初期结构及析出相微观结构演变的原子多尺度模拟

Ageing is an effective way for improving strength of Mg-Gd-Y alloys. During the early ageing process, the microstructure of the alloys possesses variety and changes very fastly, resulting to study difficultly them on experimental side. Because the evolution of the microstructure of precipitated phases is unable to track dynamically by experiment during the lately ageing process, there are several bifurcation theories on the evolution mechanism of the precipitated phase microstructure. In the present project, based on a typical content Mg-1.7Gd-0.9Y (at.%) alloy of the Mg-Gd-Y alloys, the ageing behavior,microstructure evolution discipline and mechanism for the alloy at 25-350℃ have been calculated firstly systematically using bedded atom model, combining Kinetic Monte Carlo with Molecular Dynamic methods simulations in a sequential, which are effective atomic simulations techniques allowing one to simulate the process of microstructure evolution. A model will be established for the microstucture during the early ageing process, to study the relationship of the microstructure in early ageing process with that of the final precipitated phase. Furthermore, we will get the precipitation sequence,microstructure,composition and volume fraction of the precipitated phase. The microstructure which evolves will be tracked real-time dynamically.We hope to explore microsturcture evolution mechanism of precipitation. The mechanical properties of alloy with the microsturcure at different ageing time will be investigated by molecular dynamics methods, in order to confirm the optimal ageing temperature range of alloy. Consequently we will provide some suggestions for the design of ageing technology of the late-model Mg-rare earth alloys.

时效强化是Mg-Gd-Y系合金强化的重要手段之一，时效初期阶段微观结构的多样性及演变的快速性，很难采用实验手段来研究；而对时效后期过程中实验上由于无法动态跟踪析出相微观结构演变，故有关微观结构演变机理有分岐。本项目选取该合金系某典型含量Mg-1.7Gd-0.9Y(at.%) 合金作为研究对象，利用探索微观结构演变的有效原子模拟技术- - 动态蒙特卡罗和分子动力学方法，且把这两种方法相结合，并结合嵌入原子模型首次系统模拟合金在25-350℃的时效行为、微观结构演变规律及机理，分析时效初期微观结构特征，并提出相应模型，探索时效初期行为对后期析出相的影响；确定沉淀析出序列、析出相结构、成分和体积分数；观察时效过程中析出相微观结构演变规律；探究析出相微观结构演变机理，并用分子动力学方法研究不同时效阶段中各微观结构下合金的力学性能，确定最佳时效温度范围，为新型镁稀土合金的时效工艺提供指导。

本项以高强耐热镁稀土合金为研究对象，利用分子动力学(Molecular Dynamics, MD)对Mg-Gd-Y合金的时效初期微观结构的演变过程进行研究，以及对各个时效析出相的相关性能进行了系统的分析。同时利用寻找过渡态(Nudged elastic band, NEB)方法对稀土镁合金中溶质团簇结构的形成动力学进行了研究，以及利用第一性原理方法VASP和分子动力学对各个时效析出相的弹性和热力学进行了研究，最后利用分子动力学对时效析出相纳米丝在不同温度、应变率和尺寸下纳米丝的力学性能。所取得的主要研究结果如下：.（1）利用分子动力学对Mg-Gd合金在不同温度下的时效初期析出相的微观结构进行了分析。研究发现，在较低温度下，Gd原子已经开始发生偏聚，Mg-Gd合金的时效过程就得以进行，但时效速度较低温阶段明显减缓，其原因是温度较低时，相变的驱动力不足。通过对径向分布函数和均方位移的分析，发现在373K时，Gd原子己具备进行长程扩散的能力，只要时间足够长，就可以形成典型的溶质富集区。.（2）利用分子动力学和寻找过渡态NEB方法对稀土镁合金中溶质团簇结构的形成动力学进行了研究，结果表明，掺杂元素在Mg基合金中的扩散机制为空位机制通过计算镁的空位形成能为0.7518eV。在镁晶格中同时添加Gd和Y时，分析了溶质-溶质-空位团簇在所有可能的相互组态的相互作用能，结果表明，紧密堆垛的三角形组态是一种最稳定的结构，另一种相对稳定的结构是非线性组态。.（3）析出相β''和β'是两种重要的强化相。研究结果表明，随着温度的升高，合金的晶格常数随温度的升高而增大，表现晶格热膨胀现象。在温度高于300K，有序相β''的体模量大于纯金属（BMg=36.05GPa），说明在β''-Mg3Gd是其增强相，这与相关文献研究结果相一致。β'-Mg7Gd 的E和G值大于纯镁（E=48.1GPa，G=18.8GPa）的值，表明此析出相在镁基体中是一种有效的硬质增强相。B/G=1.42<1.75，此强化相是脆性的。.（4）利用分子动力学方法计算了纯镁、Mg-Gd纳米丝在不同尺寸、不同应变率和温度条件下的力学性能，计算结果表明，在同一应变率下，中间相的屈服强和断裂强度要大于纯镁的，这说明了在镁中添加稀土元素能增大其屈服强度和断裂强度。