《鎂合金枝晶生長及界面各向異性機理研究》是依託清華大學，由杜經蓮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鎂合金枝晶生長及界面各向異性機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：杜經蓮
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鎂合金是當前實際套用中最輕的金屬結構材料之一，初生α-Mg枝晶作為鎂合金的基體相，對鎂合金材料整體的組織結構及力學性質具有重要的影響。因此，掌握α-Mg枝晶形貌和生長方向等信息對於鎂合金枝晶的形成機理及組織控制意義重大。鎂合金密排六方的晶體結構決定了其枝晶組織與立方結構的金屬或合金有本質的不同。目前，鎂合金枝晶的形成機理及擇優取向仍不清楚，這使得從根本上獲取鎂合金微觀組織結構信息非常有限。本項目將針對不同固溶元素的鎂合金，首先通過實驗表征的方法研究其α-Mg枝晶組織的三維形貌、生長方向及其影響因素。其次利用第一性原理計算的方法，從晶體學原子結構和表面能各向異性的角度揭示鎂合金枝晶生長方向選擇機理，探討晶體學各向異性與α-Mg枝晶優先生長方向的關係。最後基於對α-Mg枝晶的認知，建立相應的各向異性函式，耦合至相場模型中實現鎂合金枝晶的三維模擬，為改善鎂合金凝固組織結構提供理論及實際指導作用。
結題摘要
鎂合金因其低密度、高比強度和比剛度以及良好的減震和可循環再利用等優異特性而被譽為“21世紀的綠色工程材料”，廣泛地套用於汽車、航空航天以及通訊電子設備等領域。α-Mg枝晶是鎂合金在凝固過程中形成的一種重要組織，其大小、取向、形貌和分布等對於鎂合金材料整體的使用性能具有重要的影響。本項目通過同步輻射x射線斷層掃描和背散射電子衍射的實驗表征技術研究了鎂合金枝晶的三維形貌和生長方向，發現大多數鎂合金Mg-X (X=Al, Ba, Ca, Sn, Y & Gd)的枝晶組織呈現出十八個主幹分枝的三維形貌特徵，分別沿著基面的<11-20>和非基面的<11-23>方向生長，而在Mg-Zn合金中發現隨著Zn含量的增加，枝晶組織的三維形貌發生了從十八個主幹分枝到十二個主幹分枝的轉變現象。將原子尺度的第一性原理計算和介觀尺度的相場模擬方法相結合，系統地研究了鎂合金枝晶組織的生長取向選擇及三維形貌演變機理，發現鎂合金枝晶是沿著表面能及其各向異性較大的方向優先生長。在此基礎上，從晶體學各向異性的角度出發，探討了鎂合金中溶質組元的種類及含量變化對α-Mg枝晶生長取向選擇的影響。基於各向異性表面能的第一性原理計算結果，定量確定得到了用於描述α-Mg枝晶沿不同方向生長傾向的各向異性強度，並將對應的各向異性函式模型耦合至相場模型中模擬研究了鎂合金枝晶的生長行為，實現了鎂合金枝晶組織的三維模擬研究。項目研究所獲結果對於鎂合金微觀組織結構的調控和巨觀力學性能的改善具有非常重要的理論指導意義和工程套用價值。
