上大《Scripta Mater》基于第一性原理计算，研究镁合金强化相！

长周期堆垛有序（ LPSO ）相是镁合金中重要的强化相之一 ，针对该相的研究是过去十年间镁合金领域的一个热点问题。 LPSO 相包含 18R 、 14H 、 12R 、 10H 和 24R 等多种类型，其中 12R 是上海大学李谦教授团队最近发现的，该成果丰富了 LPSO 相的家族，并以封面文章的形式发表在 J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 2235 。 LPSO 相类型的多样性以及合金中多类型 LPSO 相的共存使得可以通过调控 LPSO 相来改善镁合金性能 。转变能是判断一个体系能否进行 LPSO 相调控的关键参数。而 Peierls–Nabarro 力和模量错配强化机制表明，弹性模量是影响第二相及合金塑性变形性能的重要参数。因此，研究各类型 LPSO 相之间的转变能及其弹性性能有助于指导 LPSO 相的合理调控以及合金性能的改善。

在前期工作基础上，近日，上海大学李谦教授团队利用第一性原理计算方法，研究了Mg-Zn-Y和Mg-Ni-Y体系中LPSO相的热力学稳定性，转变能以及弹性性能，揭示了不同类型LPSO相转变及共存的能量机理，分析了不同体系和类型LPSO相的强化效果。相关结果以“Elastic properties of long-period stacking ordered phases in Mg–Zn–Y and Mg–Ni–Y alloys: A first-principles study”为题发表于冶金及金属领域期刊《Scripta Materialia》上。论文第一作者为郭彦霖博士生，通讯作者为李谦教授和刘斌教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.12.016

研究发现，12R、10H和18R型LPSO相向14H型LPSO相的转变是能量支持的。但较小的转变驱动力为2H-Mg与12R、10H和18R相之间亚稳平衡的存在提供了可能。因此，可以通过调控LPSO相来改善Mg-Zn-Y和Mg-Ni-Y系合金的性能。多晶弹性模量结果表明，相比于同类型的Mg-Zn-Y系LPSO相，Mg-Ni-Y系LPSO相塑性更高，但对剪切变形抵抗较弱。基于模量错配强化机制的分析表明，当假定LPSO相尺寸和体积分数相同时，14H和18R分别是Mg-Zn-Y和Mg-Ni-Y体系中最有效的强化相；而当假定LPSO相尺寸和合金溶质原子分数相同时，两体系中14H均可提供最大的强度增量。

这项研究结果不仅有助于进一步理解LPSO相的强化机制，还可为含LPSO相镁合金力学性能的理性设计提供基础。

图1 (a) Mg-Zn-Y和(b)Mg-Ni-Y体系计算相图以及(c)Mg-Zn6Y8和(d)Mg-Ni6Y8二维凸包

图2 Mg、Mg-Zn-Y和Mg-Ni-Y体系中LPSO相的力学性能(a)体模量，(b)剪切模量，(c)杨氏模量，(d)泊松比，(e)Pugh比，(f)弹性各向异性，(g)<0001>方向杨氏模量，(h)<11-20>方向杨氏模量，(i){0001}面<11-20>方向剪切模量

图3 (a-d) Mg-Zn-Y和(e-h)Mg-Ni-Y体系中LPSO相的杨氏模量、剪切模量及其随团簇密度及层错密度变化率

图4 (a)相同LPSO相体积分数以及(b)相同合金溶质原子含量下Mg-Zn-Y和Mg-Ni-Y体系中各类型LPSO相模量错配强度增量与12R强度增量比值

图5 (a) LPSO相态密度和(b)Mg-Zn-Y体系与(c)Mg-Ni-Y体系中14H相(010)面差分电荷密度

*感谢李谦教授团队对本文的大力支持。

来源： 材料科学与工程”