Mg17Al12相影响铝合金-镁合金连接区内裂纹萌生与扩展的原子尺度计算研究

通过搅拌摩擦焊技术连接的铝-镁合金部件，具有很高的性能/价格比，是未来绿色和轻型化汽车设计中极具竞争力的轻量化材料。在接头连接区内形成的Mg17Al12相分别与铝或镁合金基体形成的界面结构对连接件的损伤和破坏具有重要作用。在温度和外加载荷作用下，由于界面两端材料结构与性质差异导致的变形不协调和局部应力集中使得界面区内萌生裂纹，裂纹沿界面或向基体和Mg17Al12相内的扩展致使连接件失效。在原子尺度上理解Mg17Al12相和基体界面区结构演化的微观机理，对于获得结构均匀、强度高和塑韧性好的该类新型材料的结构设计和实验制备具有重要意义。本项目拟结合多种新发展的建模和计算分析技术，采用分子动力学方法对Mg17Al12/基体界面区的结构演化与其力学和热力学性质之间关系进行详细的比较研究，提出形成强结合和高性能铝-镁合金接头的设计思路。项目的成功实施有助于我国从现有资源优势向高附加值产业的转化。

金属间化合物相Mg17Al12的结构与性质对于铝合金-镁合金连接件的使役性能具有重要影响。这种相具有复杂的立方结构，晶格常数为1.054nm。研究工作分为理论计算和实验研究两方面。在原子尺度上采用基于经典牛顿力学的分子动力学方法计算研究了具有Mg17Al12相结构的Mg-Al二元合金粒子的结构热稳定性及其受压时的原子堆积结构变化。对于构建的Mg基体/Mg17Al12相/Al基体的界面区结构进行了分列原子层排列结构的分析。对于铝合金和镁合金中的Cu和Si组元所构成颗粒的结构与性质进行了基于经典牛顿力学的分子动力学和基于量子力学的密度泛函紧束缚计算。计算结果表明，具有Mg17Al12相结构的Mg-Al二元合金粒子的内部具有很高的结构稳定性。Mg原子较Al原子更易发生位置移动。随着温度的升高，在二元合金颗粒的外部出现Mg原子的富集。在合金粒子受到压缩时，当外加压力很小时，合金粒子发生微小应变，压力消失，合金粒子完全恢复未施加外力时的形状和原子堆积结构；随着压力的增加，粒子表面的原子被压缩入粒子内，随着压力消失，粒子内原子堆积结构与受压前相同；压力继续增加，粒子在受压方向明显变短，当压力消失后，尽管粒子的形状恢复，但粒子表面上部分原子的位置发生变化。在Mg/Mg17Al12相和Mg17Al12相/Al的界面处，存在着大量的空位、间隙原子、空位团和联通的空位团。在实验研究中，对于7050Al合金在相变过程中的微观结构与性质进行了研究，并对Al合金在热处理和挤压后的缺陷和力学性质进行了正电子湮没寿命谱和力学谱的研究。研究结果表明，Si、Mg和Cu等元素对Al合金的组织和性质具有重要影响，温度对于合金中第二相的形貌和力学性质也具有重要影响。通过透射电镜、正电子湮没寿命谱和显微硬度对挤压态和热处理后焊接件各区的实验分析表明，晶体点阵的歪扭、缺陷变化和母相晶粒、析出相晶粒的数量以及尺寸等相关，进而影响了材料的力学性能。研究工作深化了合金连接件内金属间化合物相作用机理的理解，对于金属及其合金纳米粒子结构与性质的认识为研发新型合金材料具有理论意义。