基于第一性原理筛选的 Mg-Sn-Al 镁合金强塑性协同机制研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Study on the strength-ductility synergy mechanism of Mg-Sn-Al magnesium alloys based on first-principles screening

　　

摘要

轻质镁合金在超薄带生产和轻量化结构应用领域展现出巨大潜力。然而，其室温延性有限且变形兼容性差，限制了后续的轧制减薄和工程实际应用。本研究采用第一性原理计算对三种不同Sn含量的Mg-Sn-Al合金薄带进行筛选，并通过实验进行了对比。系统研究了Sn含量对薄带力学性能和微观组织的影响，阐明了Mg-Sn-Al镁合金薄带的强塑性协同机制。结果表明，Mg-3.6Sn-0.8Al合金（质量分数）展现出最佳的强塑性平衡，其抗拉强度为234 MPa，延伸率为12.7%。这一改善主要归因于Mg2Sn相含量的增加、低角度晶界（LAGBs）比例的提高以及随着Sn含量增加而增强的锥面滑移激活倾向。值得注意的是，当Sn含量从1.2 wt.%增加到2.2 wt.%时，尽管晶粒尺寸略有增大，强度和塑性仍得到进一步提升。这表明Mg-Sn-Al镁合金强塑性协同效应的改善并非仅受晶粒细化所主导，而是稳定Mg2Sn相强化、低角度晶界促进的局部应变协调以及锥面滑移激活倾向增强等多种因素共同作用的结果。本研究为Mg-Sn-Al镁合金的成分优化和强塑性协同设计提供了理论指导和实验依据。

引言

镁合金因其低密度、高比强度、高比刚度和优异的阻尼及电磁屏蔽性能，在航空航天、轨道交通、电子信息及汽车轻量化等领域引起了广泛关注[1], [2], [3], [4], [5]。然而，由于镁合金的密排六方晶体结构，室温下可激活的独立滑移系数量有限。因此，镁合金通常存在延性不足、绝对强度有限以及成形窗口狭窄等问题，这些限制在一定程度上制约了其更广泛的工程应用[6], [7]。为改善镁合金的整体力学性能，人们已在合金设计方面付出了大量努力。在这些策略中，Mg-RE合金因其优异的强度而备受关注[8], [9]。然而，稀土元素的供应有限和成本高昂限制了其大规模工程应用。

相比之下，Mg-Sn合金具有成本低和强度高潜力的优势。这主要是因为Sn与Mg反应生成热力学稳定的Mg2Sn相，该相能够抑制位错滑移，从而提高合金强度[2], [10]。此前的研究表明，Mg-7Sn合金表现出优异的强塑性平衡，其屈服强度为235.6 MPa，抗拉强度为315.7 MPa，断后延伸率为16.8%[11]。由于其良好的强塑性协同效应，Mg-Sn合金被认为是开发低成本、高强度、无稀土变形镁合金的潜在候选材料[12], [13]。在Mg-Sn合金中引入Al可以进一步利用Al的固溶强化效应以及与Sn相关的Mg2Sn沉淀强化效应[14], [15]。Wang等人[16]通过第一性原理计算表明，Sn和Al在Mg合金中的共掺可以显著降低广义层错能，从而提高合金的塑性。She等人[17]报道，低Al/Sn含量的Mg-Al-Sn合金可能具有作为高强度高塑性变形镁合金的潜力。因此，Mg-Sn-Al合金已成为重要的研究热点。

尽管Mg-Sn-Al镁合金在微观组织调控和性能优化方面已有研究，但成分设计对镁合金薄带的强塑性协同效应的影响仍缺乏深入了解。对于镁合金薄带而言，实现强度、塑性和成形稳定性的平衡对于减轻轧制减薄过程中出现的边缘开裂和带材断裂等缺陷至关重要[1]。此前的研究表明，镁合金薄带在轧制过程中容易出现非均匀应力分布和晶粒间变形不协调，这会导致成形质量恶化[18]。因此，开发有效的成分设计和微观组织调控策略以提高镁合金带材的塑性稳定性，并为后续亚毫米级镁合金薄带的制备提供合适的微观组织基础，仍然是一项关键挑战。

基于上述认识，本研究选取1 mm厚的Mg-Sn-Al镁合金薄带作为研究对象。采用第一性原理计算筛选了三种不同Sn含量的镁合金，阐明了Sn含量对Mg-Sn-Al合金薄带强塑性行为的影响。对比了不同Sn含量样品的力学性能和微观组织演变，系统研究了Sn含量对第二相演变、晶粒尺寸、晶界特征、滑移系激活倾向以及强塑性平衡的影响。建立了"成分设计—第二相稳定性—微观组织演变—滑移行为—力学性能"的关联分析框架。该框架旨在为Mg-Sn-Al镁合金强度和塑性的协同改善，以及超薄带材的低成本设计和制备提供理论指导和实验支持。

小节片段

第一性原理计算

基于密度泛函理论（DFT）进行了第一性原理计算，以计算Mg-Sn-Al合金的弹性参数以及Mg2Sn和β-Mg17Al12第二相的热力学和弹性性能。在Materials Studio的CASTEP模块中，利用虚拟晶体近似（VCA）方法构建了不同成分Mg-Sn-Al合金的整体模型。交换相关泛函采用Perdew-Burke-Ernzerhof描述。

数值模拟

为验证计算参数的可靠性，首先计算了纯Mg的晶体结构和弹性常数，结果列于表1中。计算所得晶格常数为a=3.21 ?，c=5.19 ?，c/a=1.616。这些值与文献报道的实验结果吻合良好。同时，计算所得弹性常数C11=66.35 GPa，C33=62.10 GPa，C44=19.82 GPa，C12=23.53 GPa和C13=23.47 GPa也与可获得的实验数据接近。

Sn含量对弹性参数的影响

本研究主要利用第一性原理计算进行成分预选和固有力学行为的评估。Mg-xSn-0.8Al合金的体积模量B随着Sn含量的增加从30.79 GPa增大至35.61 GPa（表4），表明合金抵抗体积压缩的能力增强。同时，Pugh比值（B/G）从3.39增加至7.84，泊松比ν从0.37增加至0.44，Cauchy压力C12?C44

结论

本研究利用第一性原理计算了Mg-Sn-Al镁合金的弹性参数，并对其强塑性趋势进行了初步评估。随后选取了三种不同Sn含量的镁合金进行制备，对比了它们的微观组织和拉伸性能。主要结论如下：（1）对不同Sn含量的Mg-xSn-0.8Al合金进行的对比实验表明，Sn含量对拉伸性能有显著影响。

CRediT作者贡献声明

Zhiquan Huang：监督、方法论、资金获取、形式化分析。Yu Liu：初稿撰写、验证、软件、数据管理、概念构思。Yonglin Zheng：审阅与编辑。Shiwen Zhu：调查。Miaomiao Zhang：审阅与编辑、概念构思。Xikai Xu：调查。Xiangyu Gao：监督。Jinchao Zou：监督、资源、调查、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文所报告工作的经济利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：52404408）、国家自然科学基金联合基金（编号：U24A20119）、山西省基础研究计划（编号：202403021222208）、山西省重点研发计划（编号：202302050201013）、太原理工大学博士科研启动基金（编号：20242039）以及优秀博士奖励基金的资助。

Zhiquan Huang | Yu Liu | Miaomiao Zhang | Xikai Xu | Yonglin Zheng | Shiwen Zhu | Jinchao Zou | Xiangyu Gao

太原理工大学机械工程学院，太原 030024，中国