Mg-Sn系合金中亚稳相结构及其非均匀形核机理研究

Mg-Sn-based alloys are ideal for precipitation hardening. It is widely accepted in the literature that the precipitation process in these alloys involves solely the formation of the equilibrium Mg2Sn phase during isothermal ageing. In our preliminary study, several metastable phases are observed in aged Mg-Sn(-Zn) alloys. In this project, these metastable phases that have formed in defect-free regions of magnesium grains, pre-existing dislocations and B/P interface in Mg-Sn, Mg-Sn-Zn, Mg-Sn-Al and Mg-Sn-Cu alloys will be characterized at atomic scale using atomic resolution HAADF-STEM and ChemiSTEM techniques. The aims are to determine the structure, morphology and composition of these metastable phases and their relationships with Mg2Sn, to reveal the heterogeneous nucleation mechanisms of these metastable phases at dislocations and B/P interfaces, and to examine the effect of alloying additions of Zn, Al and Cu on heterogeneous nucleation of these metastable phases. This project will enrich the precipitation theory of magnesium alloys, and provide a platform for manipulation of precipitate distribution for significantly enhanced age hardening response.

Mg-Sn系合金是典型的沉淀硬化镁合金。目前文献中广泛认为平衡相Mg2Sn是Mg-Sn系合金在时效过程产生的唯一析出相。我们在近期研究中发现，Mg-Sn(-Zn)合金在时效过程中除了平衡相Mg2Sn外，还会形成多个亚稳相，而且它们的密度受时效温度和合金成分的影响。本项目以Mg-Sn、Mg-Sn-Zn、Mg-Sn-Al和Mg-Sn-Cu合金为研究对象，利用原子分辨率的HAADF-STEM和ChemiSTEM技术，通过对晶粒内无缺陷处、以及位错和孪晶界等缺陷处形成的亚稳相的原子尺度表征，确定亚稳相的结构、成分以及它们和平衡相Mg2Sn之间的转变关系，揭示亚稳相在不同类型位错和孪晶界基面/柱面（B/P）界面处的非均匀形核机理，明确Zn，Al和Cu合金元素对亚稳相非均匀形核的影响。本项目的研究结果可以丰富镁合金析出相变理论，并为通过调控各类沉淀相来获得更大的时效硬化效果提供理论指导。

Mg–Sn系合金是典型的时效强化镁合金，由于其具有发展成为低成本高强镁合金的潜力，在近些年受到了广泛的关注。目前研究表明，Mg–Sn系合金在时效过程中只有平衡相Mg2Sn析出，没有任何其他亚稳相形成。然而，在许多镁合金中都报道存在亚稳相，并且亚稳相对于提高镁合金的力学性能起重要作用。.本工作利用球差校正电镜中的HAADF-STEM技术对不同时效状态Mg–9.8wt.%Sn合金中析出相的结构和类型进行了研究。研究发现该合金中除了有平衡相Mg2Sn外，在时效早期还会形成GP区和亚稳beta’相。beta’相具有L12结构，空间群Pm-3m，单胞参数a=0.453nm，化学式Mg3Sn。beta’相与Mg基体的取向关系是(11-1)beta’//(0001)Mg，[011]beta’//[2-1-10]Mg。beta’相形成类似于hcp到fcc的转变，这种转变是通过在hcp晶格的某个密排面上发生一个1/3<01-10>Mg的切变实现的。beta’相的增厚则需要在每两层(0002)Mg面上都发生一个1/3<01-10>Mg的切变。随着时效时间的延长，beta’相可以原位转变为平衡相Mg2Sn。.研究还发现，亚稳beta’相可以在<c+a>位错分解产生的I1层错以及<a>位错分解产生的I2层错上形核长大。beta’相在I1层错上析出时仍需要一个1/3<01-10>Mg切变。beta’相会优先在I1层错的一端形成，然后向层错的另一端长长。当其长大到I1层错另一端时，beta’相一端的Shockley不全位错会与层错末端的Frank不全位错反应，形成一个不含a分量的Frank位错和一个<a>全位错，而且这个<a>全位错在时效过程中可以从beta’相的一端滑向基体。I2层错已经提供了四层ABCA结构，只需Sn元素的偏聚和有序化就可以形成beta’相。.在Mg-Sn合金中还发现存在孪晶结构（T2）的层错，它是通过让某一个密排面上的原子柱产生1/3<01-10>Mg的位移形成的。在T2层错周围总是存在Sn原子的有序偏聚，第一性原理计算表明Sn原子有序偏聚能够显著降低它的层错能。