长周期堆垛有序结构与镁基体之间界面结构的电子显微学研究

Magnesium alloys reinforced by long-period stacking ordered (LPSO) structures have attracted extensive attention for both superior mechanical properties and unique structural characteristics. A large number of interfaces exist between LPSO structure and Mg matrix, which play crucial roles in behavior of Mg alloys. A variety of defects exists in incoherent interfaces, which determine the instability of interfaces, while their instability is reflected by macro to micro behavior, such as melting point, corrosion behavior, occurrence and absorption of dislocations in grain boundaries, solute atoms segregation, grain boundaries migration. This project is aimed to characterize the detailed structure of incoherent interface between 18R/14H and Mg matrix in Mg97Zn1Y2 alloys, and novel defect structure in incoherent interface between 12H and Mg matrix in Mg92Co2Y6 alloys. Then, elastic field of each defect, elastic interaction between defects, or between defects and solute atoms, will be calculated via elastic mechanics to evaluate the stability of interfaces and to study the defect configuration, solute atoms segregation, migration of grain boundary. The relationship between "interface structure — interface instability — material behavior" will be established to provide theoretical foundation for the design and performance optimization of the LPSO structure strengthened magnesium alloys.

长周期堆垛有序结构强化镁合金具有优异的力学性能和奇特的结构特性而备受关注。长周期堆垛有序结构与镁基体之间存在的大量界面极大地影响着合金的使役行为。其中非共格界面上聚集了各种缺陷，界面的缺陷结构决定了界面的不稳定性，界面的不稳定性表现为熔点，腐蚀行为，晶界位错发生和吸收，元素的偏聚，界面迁移等宏微观行为。本项目利用像差校正透射电镜深入表征Mg97Zn1Y2合金18R/14H与镁基体之间的非共格界面位错结构，并表征Mg92Co2Y6合金中12H结构与镁基体之间的非共格界面新型缺陷结构。再基于弹性力学计算各缺陷的弹性场，各缺陷之间的弹性相互作用，溶质原子与各缺陷之间的相互作用，以评估各界面的稳定性，用来研究界面缺陷组态、元素偏聚、迁移机制等。建立“界面结构—界面不稳定性—材料行为”之间的关系，为长周期堆垛有序结构强化镁合金的设计和性能优化提供理论依据。

利用高分辨扫描透射电子显微镜，我们解析了Mg97Zn1Y2 (at.%)近平衡合金中18R和14H结构与镁基体之间半共格界面。该界面具有奇特的肖克莱不全位错组态，由于相邻位错伯格斯矢量之和为零而未产生宏观应变。该18R/Mg界面分解成了18R/54R和54R/Mg倾转晶界，并伴随了一片54R结构，54R结构的基面倾转了2.3°。14R/Mg界面拉应力区相对的位错对伴随着溶质原子。通过利用弹性力学计算了位错之间及其与溶质原子之间的弹性相互作用，我们进一步评估了界面的稳定性和形态，位错列之间的相互作用主导了18R/Mg界面形态和迁移行为。位错与溶质原子之间的相互作用主导了14H/Mg界面形态和迁移行为。 .利用HAADF-STEM成像技术研究了熔体冷却速率对Mg97Zn1Y2 (at.%)合金18R与镁基体之间界面形态和位错组态的影响。近平衡和非平衡合金中18R/Mg界面都为台阶状。更低的冷却速率使得台阶更规则，尺寸更大。在近平衡合金中18R/Mg界面只观察到了54R，且位错排列高度有序。在非平衡合金中发现b1和b2 + b3位错列之间为54R和54R′结构，并且还发现了新的位错组态，位错排列变得较无序。仅从弹性力学计算，18R/Mg界面包含宽度为平衡宽度的54R或54R′结构，且平行(011 ̅0)面最为稳定。较低冷却速率的合金将经历长时间的高温条件，这有助于界面自由能的降低。.利用原子尺度的高脚环形暗场像技术研究了Mg88Co5Y7 (at.%)铸态合金中ABC型长周期堆垛有序结构与镁基体之间界面结构。发现12H与镁基体之间每12层堆垛层有3层堆垛序列不一样。堆垛序列不一样的堆垛层都跟两侧的原子有一定的滑移，可以理解成它两侧存在伯格斯矢量相反的位错偶。也可以用空位线描述，于是提出了空位线模型，用于推导该类缺陷的弹性场。在界面上具有差异的堆垛层存在明显的畸变，或存在Co/Y元素偏聚，其中一些偏聚位置形成了团簇。