[论文解读] Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries

P. Mathews, S. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Microstructure and mechanical properties被引用 4

一句话总结

本研究通过从头算模拟与缺陷相图，探究了溶质诱导的Mg晶界缺陷相变，揭示在压应力或高温条件下，Ga偏析可稳定Σ7 (12̄30) [0001] 晶界中的A型结构。主要发现包括两种不同的缺陷相变：一种由应力/温度驱动，另一种由化学势驱动；在低浓度时Ga优先占据a1位点，高浓度时则转向a3位点，且在克服成核势垒后形成Mg5Ga2析出相。

ABSTRACT

The study of defect phases is important for designing nanostructured metals and alloys. Grain boundaries (GBs) form one class of defects that directly influence materials properties, such as deformability and strength. At the same time, alloying can introduce GB phase transformations and can therewith alter mechanical performance. In this work, the defect phases of a $Σ$7 $(12\bar{3}0)$ [0001] 21.78$^\circ$ symmetric tilt GB in hcp Mg are investigated. Ab-initio simulations as a function of stress and temperature (using quasi-harmonic approximation) are performed, and different types of phase transformations are revealed. To this end, the influence of the chemical degree of freedom on the defect phases is studied for the example of Ga addition, using an efficient screening approach that combines empirical potentials and accurate ab-initio calculations. By exploiting the concept of defect phase diagrams, a phase transformation from the T to the A structural type and as well as a systematic transition of the segregation site preference is revealed. The results qualitatively agree well with experimental observations from scanning transition electron microscopy. The underlying physical mechanisms have an impact on grain-boundary engineering in metallic alloys.

研究动机与目标

• 理解溶质添加（Ga）如何诱导Mg晶界中的缺陷相变。
• 构建Ga在Σ7 Mg晶界中的缺陷相图（DPD），以捕捉结构与偏析转变行为。
• 识别在不同应力、温度与化学势条件下相稳定性和溶质位点偏好性的热力学与动力学驱动力。
• 将计算预测与扫描透射电子显微镜（STEM）的实验观测结果相衔接。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，基于准谐近似，研究缺陷相稳定性随应力与温度的变化。
• 开发一种高效的筛选流程，结合经验Mg-Al MEAM势与DFT，预先筛选出晶界处2–6个Ga原子的低能构型。
• 通过调节Ga的化学势构建缺陷相图（DPD），实现对结构与偏析转变的映射。
• 计算多种构型的偏析能，以识别稳定溶质位点（a1、a3），并追踪溶质浓度增加时位点偏好性的演变。
• 评估Mg5Ga2析出相成核势垒，以评估平衡态的动力学可及性。
• 通过将预测的缺陷结构与STEM观测结果对比，完成实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 压应力或高温如何诱导Σ7 Mg晶界中从T型到A型缺陷相的结构转变？
• RQ2 Ga偏析如何改变A型与T型晶界结构的稳定性？随着Ga浓度增加，其位点偏好性如何演变？
• RQ3 化学势在驱动第二类缺陷相变（Ga偏析从a1位点向a3位点转移）中起什么作用？
• RQ4 成核势垒如何影响Ga富集条件下Mg5Ga2析出相的形成？该相在何时变得热力学可及？
• RQ5 预测的缺陷相变行为与溶质位点偏好性与实验STEM观测结果在多大程度上一致？

主要发现

• 在0 K时T型结构为基态，但当施加压应力或温度高于450 K时，A型结构被稳定，表明存在两个一级缺陷相变。
• Ga偏析稳定了A型结构，最低能量构型为在低溶质浓度下一个Ga原子占据a1位点。
• 随着Ga化学势增加，Ga偏析偏好性系统性地从a1位点转向a3位点，表明存在由化学成分驱动的缺陷相变。
• 在高Ga浓度下，系统转变为四Ga原子占据a3、b、e、e’位点的稳定构型，其中a3位点仅在溶质富集条件下变得能量有利。
• Mg5Ga2析出相的形成在热力学上是有利的，但受高达0.606 eV的成核势垒阻碍，必须克服该势垒才能发生析出。
• 预测的缺陷相行为与溶质位点偏好性与实验STEM观测中Ga修饰的晶界表现出强烈的定性一致性。