Al_Mg_Si_Sc_Zr_合金时效初期微结构演化的模拟研究_高英俊

2008年12月JournalofGuangxiUniversity(NatSciEd)文章编号:1001-7445(2008)04-0408-05

Vol.33,No.4　

Dec.,2008　

Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金时效初期

微结构演化的模拟研究

①

高英俊,苏义勇,李建勋,易　杰,张丽娜

(广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004)

摘要:运用蒙特卡罗方法计算模拟了加入微合金元素Si,Sc和Zr的Al-Mg合金时效初期微结构的演化过程,

分析了微结构演化过程中溶质原子偏聚的特征及其与空位的相互作用;对Si,Sc和Zi与空位复合体的尺寸及空位周围原子的概率分布进行讨论,揭示了空位作用的机理.关键词:Monte-Carlo方法;微结构演化;铝镁合金中图分类号:TG131　　　文献标识码:A

MicrostructuralevolutionofAl-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)alloy

inearlierageingstage

GAOYing-jun,SUYi-yong,LIJian-xun,YI　Jie,ZHANGLi-na,

(CollegeofPhysicsScienceandEngineering,GuangxiUniversity,Nanning,530004,China)

:TheMonte-CarlomethodareappliedtosimulatetheeffectofSi,ScandZronAbstract

micro-structuralevolutionofAl-Mgalloy.Thecharacterofsoluteatomssegregatinginmicrostructureevolutionandsoluteactingwithvacancyareanalyzed;theSi,ScandZratomsinteractionwithvacancycompositeandthepossibilityofvacancywithatomssurroundingarediscussed,andthemechanismofvacancyexertingarerevealed.

Keywords:Monte-Carlomethod;micro-structuralevolution;Al-Mgalloys　　添加微合金元素会对合金的机械性能的改善起到非常重要的作用.这种所谓的“微合金化”添加法被广泛应用到各种合金系统中[1].对于铝镁合金添加微合金的实验研究,已有较多的文献报道,例如文献[2]利用透射电子显微技术实验研究微量元素Ag,Zr在合金Al-Li-Cu中的作用.但是,从实验上研究任意合金系统中加入微合金元素对合金微结构的作用是很困难的.因此,使用适当的模型来模拟预测微合金元素的作用已成为很有效的理论方法[3-4].目前运用蒙特卡罗方法计算

模拟添加微量Si、Sc和Zr的Al-Mg合金的微结构演化过程还很少报道.本文运用Monte-Carlo(MC)方法计算模拟微合金化元素对Al-Mg合金时效初期溶质原子偏聚的影响,并对空位的作用机理进行分析.

1　模型和方法

1.1　模型

运用MC方法模拟合金时效初期原子的偏聚和微结构的演化,需对合金体系进行建模.为了使

①收稿日期:2008-08-21;修订日期:2008-10-10

基金项目:国家自然科学基金项目(50661001,50061001);广西科学基金项目(桂科自0832029,桂科基0639004)作者简介:高英俊(1962-),男,湖南祁东人,广西大学教授,博士生导师;E-mail:gaoyj@gxu.edu.cn.第4期高英俊等:Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金时效初期微结构演化的模拟研究

8

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模拟过程在计算机上得以顺利实现,通常要对所研究的合金系统进行简化处理:(1)忽略原子及原子簇尺寸因素对扩散过程的影响(即忽略晶格畸变对原子偏聚的影响);(2)原子间的相互作用只计最近邻原子的相互作用;(3)忽略了空位与空位之间的相互作用;(4)忽略了位错、层错、晶界等其他缺陷对扩散过程的影响;(5)采用周期性边界条件;(6)采用了纯铝在淬火温度下的平衡空位浓度作为时效的空位浓度(忽略了空位的湮灭和崩塌成位错环的过程).1.2　模拟参数

用蒙特卡罗方法研究微结构演变要求精确估计合金中原子的相互作用能.在本文中,相互作用量是已知的热力学或动力学量,如内聚能E

coh

[6]

[4-5]

(3)Monte-Carlo循环次数达1×10次,期间设置35个点,以观察在453K下时效初期各不同时段溶质原子的发布情况.1.4　计算方法

应用Metropolis随机游走方法进行计算模拟.如果迁移率k大于0到1之间的任意随机数X,那么任意选择的空位就允许和它最近邻的原子相交换.k的解由对称解求得.

exp(-ΔE/(kT))k=1+exp(-ΔE/(kT)),

[5]

(1)

式中ΔE是原子结构变化前后的能量差,k是

Boltzman常数.E,k,T为模拟微观结构特征的参数.

,空位的形成能E

FV

[7]

,最近邻原子间的距离

max

2　结果与分析讨论

2.1　微量原子在铝合金中的分布形态分析

图1是合金Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)时效初期原子形态模拟结果.从模拟结果可以发现,在基合金Al-Mg中存在空位团,并且有大量的Mg/空位复合体,大部分Mg原子丛聚在空位周围.添加了Si以后,空位周围的部分Mg原子被Si原子所取代形成Si/空位复合体和Mg/Si/空位复合体.而单独添加Sc的合金中,Sc不像Si原子取代Mg原子的位置,而是捕获了Mg/空位复合体形成Sc/Mg/空位复合体.同时添加Si,Sc的合金中,由于Si和Sc有很强的相互作用,使得Sc原子带着捕获的空位向Si原子聚集形成Si/Sc/空位复合体,这与文献[12]相一致.在同时添加了Sc,Zr原子的合金中发现,由于Zr,Sc都与空位有很强的相互作用,使得两种原子积极捕获空位形成Zr/空位复合体和Sc/空位复合体,以及出现的两种复合体组成了Sc/Zr/空位复合体.在五元合金中几种有较强相互作用的原子表现出了丛聚现象,如Sc/Si/空位和Zr/Mg/空位复合体.

iiX

,纯金属i在合金中最大溶度Cj,相对温度max[8]

ii,不同原子Tj,同种原子之间的相互作用能X

pure[6]

[9]

之间的相互作用能Xij和原子与空位之间的相互

[8,10-11]

作用能Xiv.模拟参数的详细推导公式见文献

[1],计算得到的参数值见表1.

表1　给出合金l中原子的相互作用能

Tab.1　Extractedpairinteractions

inAlbetweenatomspeciesAl

AlMgSiZrSc

Xii,Xij(kJ/mol)MgSiZr

Sc

-54.5-34.5-43.3-62.3-43.0

-16.8-24.4-44.1-24.8

-36.2-52.8-33.6

-73.50.00.0-34.7

Vacancy-21.9-10.3-21.2-37.3-31.0

1.3　模拟条件

(1)模拟的合金化学成分(质量分数):Al-0.3Mg-(0.4Si)-(0.2Sc)-(0.3Zr);

(2)模拟的时效温度为453K(180℃);

410

广西大学学报(自然科学版)第33卷　

(d)Al-　　　　　　　　　　　　(e)Al-　　　　　　　　　　(f)Al-Mg-Si-ScMg-Sc-ZrMg-Si-Sc-Zr图1　计算机模拟435K温度8×108MCS的Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金溶质原子分布×108MCSFig.1　TypicalatomconfigurationinAl-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)alloyssimulatedat435Kfor8

2.2　Si,Sc等微合金化元素在铝合金中的作用

机理2.2.1　Si原子周围出现其它溶质原子的概率

图2是合金Al-Mg-Si-Sc-Zr中Si原子周围出现Mg,Zr,Sc,Vacancy的概率变化曲线.和Al原子具有很高的自由焓,大部分Zr原子与Al原子结合抑制了Zr原子向Si原子处偏聚.2.2.2　Sc原子周围出现其它溶质原子的概率

图3是合金Al-Mg-Si-Sc-Zr中Sc原子周围出现Mg,Zr,Si,Vacancy的概率变化曲线.

图2　Al-Mg-Si-Sc-Zr合金时效初期Si原子最近邻位置出现其它溶质原子的概率变化

　ProbabilityofsoluteatomsnexttoSiatomsintheFig.2

Al-Mg-Si-Sc-Zralloysduringtheearlyageingstage

图3　Al-Mg-Si-Sc-Zr合金时效初期Sc原子最近邻位置出现其它溶质原子的概率变化

　ProbabilityofsoluteatomsnexttoScatomsinFig.3

theAl-Mg-Si-Sc-Zralloysduringtheearlyageingstage

图中可以看到,在Si原子周围出现的空位和Sc原子均随着时效时间的延长而逐渐增加,这说明合金中Si原子与空位,Sc原子有一定的交互作用.从MCS=1×104到与MCS=1×108两者概率的增量值,发现在Si原子周围出现空位的概率仅从0.027增加到0.06(增加了约2倍),而Si原子周围出现Sc原子的概率增加了6倍,从而可以推测Si原子与空位的交互作用比Si原子与Sc原子的交互作用小的多.图中表明在Si周围出现的Mg,Zr原子的概率几乎没有变化,说明Si和Mg原子之间并不表现出团簇化倾向,但值得注意的是,根据热力学及动力学相关知识可知Si原子和Zr原子具有很强的相互作用能(见表1),但是在曲线图中没有观察到它们的团簇化倾向,究其原因,是由于Zr从图中可以看到,随着时效时间的推移,Sc原子周围出现空位的概率几乎保持相对恒定不变,并且空位出现在Sc周围的几率要比其它原子的高得多,而Sc周围的出现的Si,Mg原子也逐渐增加,其中Si的概率更大些,而Zr原子在Sc周围出现的几率没有明显变化.这说明在Al-Mg-Si-Sc-Zr合金中Sc原子与空位之间表现出强烈的交互作用,并且Sc与Si及Sc与Mg也有较强的相互作用,同时Sc与Si的作用要强于Sc与Mg的相互作用,而Sc与Zr的这种作用则弱得多.2.3　微量元素对空位影响2.3.1　微量元素对空位尺寸的影响

图4是Al-Mg-(Si)-(Sc)合金时效初期空位第4期高英俊等:Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金时效初期微结构演化的模拟研究

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团的平均尺寸变化曲线图.

根本原因是由于Sc与空位有很强的相互作用,导致一部分空位被Sc原子捕获减小了空位团的尺寸,同理也观察到添加Si的合金中空位团的尺寸相对也有所减小.这种现象在同时添加Sc,Si的四元合金中更加明显,由于Sc,Si都和空位有很强的相互作用,所以空位逐渐向这两种原子偏聚,抑制了空位团的长大.2.3.2　微量元素影响空位周围溶质原子分布形

态分析Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金时效初期空位周围出现溶质原子Zr的概率变化见图5.随着时效时间的推移,两种合金中空位周围的Zr原子都有所增加,但是比较两种合金的曲线图发现,微量Si的添加有效抑制了Zr原子与空位的丛聚,于是出现Zr原子概率相对减少.其主要原因有两个:第一,由于Si与Zr有很强的相互作用,所以一部分Zr向Si原子偏聚减少了空位周围的Zr原子;第二,由于Si与空位的交互作用也比较强,Si原子捕获了一部分空位,也就是说Si原子占据了空位周围的一部分Zr的位置,造成空位周围的Zr原子减少.2.4　溶质原子团分布

表2给出了Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金时效初期出现的各种溶质-空位复合体.

由图可见,在基合金Al-Mg合金中空位的尺寸随着时效时间的推移逐步增加,但是添加微量Sc以后,空位的尺寸增加相对基合金的要缓慢,

表2　计算机模拟435K温度8×108MCS的Al-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)合金溶质原子团

Tab2　TypicalsoluteatomclustersinAl-Mg-(Si)-(Sc)-(Zr)alloyssimulatedat435Kfor8×108MCS空位团

Mg/空位复合体Mg/Si/空位复合体Si/空位复合体Mg/Sc/空位复合体Si/Sc/空位复合体Mg/Sc/Si/空位复合体Sc/Zr/空位复合体Zr/Mg/空位复合体Zr/空位复合体Sc/空位复合体Zr/Si/空位复合体Mg团簇Si/MgSi/Sc

　　(▲-samllquantity;●-properquantities;■-largequantity)

▲

▲▲

▲

Al-Mg

▲■

Al-Mg-Si▲▲▲●

●

●▲

▲▲▲▲

▲▲●●▲

▲

▲

Al-Mg-Sc▲▲

Al-Mg-Si-Sc▲

Al-Mg-Sc-Zr

Al-Mg-Si-Sc-Zr

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广西大学学报(自然科学版)第33卷　

　　由表可见合金加入Sc,Zr后,Mg/空位团,Mg/Si/空位团,Mg/Sc/空位团,Zr/空位团消失,出现了,Si/Mg团簇,Si/Sc团簇,Mg/Sc/Si/空位复合体,Zr/Mg/空位复合体,Sc/Zr/空位复合体,表明合金加入Sc,Zr后易形成多元溶质-空位复合体,这与文献报道结果相一致.

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3　结　论

(1)在添加了微量Si的合金中存在较多的

Mg/Si/空位原子团和Si空位原子团,Mg原子有向Si原子偏聚倾向.

(2)在基合金中添加微量Sc和Zr以后,由于Sc和Zr与空位存在强的相互作用,形成Mg/Sc/空位复合体和Mg/Zr空位复合体.合金中形成大量的溶质空位复合体,表明空位在合金微结构演化过程中起的关键作用.

(3)在同时添加Sc和Si的合金中出现了Sc/Si/Mg/空位复合体,其可能原因是有几种复合体合并而成.由于空位的作用使得Sc原子和Si原子之间表现出强烈的交互作用,并具有很强的Sc/Si/空位复合体团簇化倾向.

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(责任编辑　梁碧芬)