镁钐钆系合金析出相及其相变机理研究

混合加入轻重稀土而形成的时效析出相是迄今发现的高强度镁合金中最有效的强化手段，而二元镁轻稀土和镁重稀土合金的时效硬化效果却差异显著，研究清楚二元镁轻稀土、二元镁重稀土和三元镁轻重稀土合金的时效析出模型和相变机理，对于设计复杂成分的镁稀土合金及其热处理工艺具有重要意义。本项目拟选用原子序数和半径均非常接近的轻、重稀土元素Sm和Gd，配制不同含量的二元镁稀土和三元镁稀土合金，采用高角度环形暗场扫描透射电子显微术（HAADF-STEM）研究含Sm和Gd二元和三元镁合金的析出相种类、成分、结构、位向关系和界面结构等随合金成分、时效条件的变化规律；通过第一性原理计算不同结构析出相的生成焓和相变过程的能量变化，讨论二元Mg-Sm和Mg-Gd合金析出相析出模型和析出相之间的相变机制；探究三元Mg-Sm-Gd合金析出相的形成机理，并提出基于Sm/Gd成分比、温度和时间等的最佳时效调控方法。

混合加入轻重稀土而形成的时效析出相是迄今发现的高强度镁合金中最有效的强化手段。Sm和Gd的原子序数和半径均非常接近，但分属轻、重稀土元素，本项目以Mg-Sm、Mg-Gd和Mg-Sm-Gd分别代表镁轻稀土、镁重稀土二元合金和镁轻重稀土三元合金，通过实验观察和计算模拟，研究二元合金的时效析出相结构模型和相变机理，进而推测三元合金析出相的调控方法。. 本项目制备了不同成分的Mg-Sm和Mg-Gd合金各3种、Mg-Sm-Gd合金5种，分析了各合金析出动力学的变化规律，表征了二元、三元合金中的析出相，建立了各合金的析出序列。通过第一性原理计算了不同结构析出相的生成焓和相变过程的能量变化，讨论了二元合金析出相析出模型和析出相之间的相变机制。. 本项目研究发现典型的β″相呈非连续的不完整D019结构，不同于普遍认为的连续完整D019结构，并将连续完整D019结构的析出相命名为β″(I)。首次在Mg-Sm二元合金中发现了β′(cbco)相，证实了镁轻稀土合金中也存在β′(cbco)相，该相是镁稀土合金中普遍存在的时效强化相之一。第一性原理计算结果表明，β″相的晶体结构比β′相存在着更大的晶格畸变，这是其尺寸比β′相小的主要原因；β″相、β′相和β1相的形成能均为负值，表明这三种析出相均是可以自发形成并能稳定存在的；β″→β′，β′→β1这两个相变反应的化学反应热均为负值，表明为放热反应，从热力学角度可以自发进行，即β″→β′→β1这一析出序列在理论上是可以存在的。在实验研究与第一性原理计算的基础上，建立了时效早期合金中的GP区和β″相形核的原子模型。