2、镁合金的合金化
合金化是指在金属中加入其他元素，通过熔炼、加工、热处理产生各种冶金、物理和化学的相互作用，形成具有一定结构和一定成分合金的过程。加入的溶质元素可通过代位、填隙、缺位等方式改变溶剂固溶体的点阵常数、析出相等，从而改进固溶体的力学性能和物理、化学性能[4]。
合金元素的性能不同，其合金化工艺也不同。根据合金元素与氧的亲和力，在溶剂中的溶解度及其熔点、沸点、蒸气压力、密度等决定其合理的尺寸、加入时间、地点和方法以及必须采取的助熔和防止氧化的措施。熔点低并能形成流动性良好的均质熔体的氧化物混合料用于合金化具有较好效果，生产实践证明：W、Mo、Ni、V、Nb、Cr、Mn的氧化物可用于直接合金化[5]。
Mabuchi和Furubawa等[11]将AZ91通过固溶处理和ECAE/P处理后，晶粒尺寸为0.5μm，所得晶粒均为细小等轴晶。Mohri等[12]研究热轧态的AZ91时发现，当热轧后AZ91镁合金的晶粒尺寸为39.1μm，明显较为粗大。Watanabe等[13]在研究AZ61镁合金晶界控制扩散过程中发现，当AZ61镁合金的晶粒尺寸大约为20μm时，其伸长率达到400%以上。实验发现[14-16]：在Mg-Al合金系中添加Ca，除少量溶入Mg17Al12相形成(Mg，Ca)17Al12固溶体外，还有一部分与Mg，Al反应形成Al2Ca、Al4Ca和Mg2Ca等金属间化合物。
[4]李恒德,刘伯操,韩雅芳,周瑞发等.现代材料科学与工程辞典.济南:山东科学技术出版社,2001
[5]赵玉祥.中国冶金百科全书.冶金工业出版社,2001
[6]黄晓峰,朱凯,曹喜娟等.主要合金元素在镁合金中的作用[A].铸造技术, 2008, 11(29): 1574-1578
[7]陈振华.镁合金[M].北京:化学工业出版社, 2004
在镁合金的合金化过程中，主要的合金化元素为[6]：Ca、Li、Mn、Si、Zr、Zn以及稀土元素Y、La、Ce等。基于本课题研究，在AZ91镁合金中加入Y后，可以显著细化晶粒，且晶内析出物增多使晶界变细；而且析出的第二相粒子可在高温时钉扎晶界和位错，阻碍其运动，从而有效的提高了镁合金的高温强度和蠕变抗力[7-8]。
二、AZ91镁合金及其合金化
1、AZ91镁合金
AZ91镁合金是一种铝含量较高的铸造镁合金，该合金中含有的主要合金元素为：Al(8.3～9.7%)、Zn(0.35～1.0%)、Mn(0.15～0.50%)。AZ91系镁合金具有均衡的力学性能和铸造性能；屈服强度最高，一般用于制造形状复杂的薄壁铸件；并且由于其内部生成了Mg17Al12相而使其具有较好的耐腐蚀性能，抗腐蚀能力明显高于A380铝合金和碳钢[1][2]；也是由于Mg17Al12相的处在，该合金在150℃以上时存在耐热性和抗蠕变性能差的缺点。鉴于此，我们可以通过合金化的方法使合金的晶粒细化，同时改善合金中的Mg17Al12相的形态与分布，或形成新的第二相，这样便可以有效地改善其组织与性能[3]。
弥散强化的颗粒是合金在凝固过程中产生的，其熔点较高、不溶于镁基体、具有良好的热力学稳定性。弥散强化比析出强化可以保持到更高的温度。
当合金元素在基体中的溶解度随温度降低而下降时，将从基体中析出第二相阻碍位错运动和滑移，使屈服强度提高，产生析出强化(时效强化)。其强化效果取决于尺寸、形状、物理性能和析出相与基体间的界面性质。析出强化是AZ91镁合金的主要强化方式。
2、理论研究
黄海军等[17]提出，按照镁合金塑性变形的形成条件，可分为细晶超塑性和相变超塑性。其中细晶超塑性的研究较多，大多采用剧烈塑性变形方式(SPD)得到。周惦武等[18]通过计算分析表明，分别用Ca置换Mg17Al12中的Mg(Ι)、Mg(Ⅱ)和Mg(Ⅲ)，结果Ca置换Mg( Ⅲ)原子时，其合金化能力最强,合金化后形成的(Mg5Ca12)Al12相结构稳定性最高。刘金水等[19]认为，Sr合金化Mg-Al基合金后形成的Al2Sr有利于提高镁合金的高温抗蠕变性能，而且与Mg2Sr、Mg17Al12相比Al2Sr具有最强的合金化形成能力和结构稳定性。
日本东北大学金属材料研究所开发出具有高强度、高延展性、耐热、质轻的镁合金。它既具有高强度又富有延展性，是目前强度最高的镁合金，而其耐热强度是目前镁合金的2倍以上；且极易加工。该镁合金完满解决了以往镁合金的高强度和延展性不可兼顾之问题。日本长冈技术科学大学开发出一种耐热性能优良、易于加工的镁合金，实验证明，即使高压状态下，在175 ℃的高温下放置约100h这种镁合金也不会变形。
应用Materials Studio，我们可以对镁合金材料进行如下几个方面的计算[24]：1）结构参数及构型计算；2）合金相稳定性的计算；3）电子结构的计算；4）合金相力学性质的计算；5）表面或界面性质的计算等。
五、课题研究的意义及内容
1、意义
随着现代工业技术和科学技术的不断发展，以及当前社会所面临的资源紧缺问题，镁合金以其密度低、比强度高、比刚度高、减震性高、易加工、易回收等优点，在航天、军工、电子通讯、交通运输等领域获得了巨大的应用空间。然而目前普通镁合金强度偏低、耐热耐蚀等性能较差仍然是制约镁合金大规模应用的瓶颈问题。因此在镁合金中加入合金元素，以达到改变镁合金组织结构进而改善镁合金各方面性能具有重要意义。
Raj等[20]认为，滑移造成的周围增强相产生切应力，滑移位移大，不被基体吸收，镁合金通过扩散流变等机制来协调其塑性变形。Livesey等[21-22]提出，塑性变形中的空洞长大速率随表面能的增加呈下降趋势。镁合金中的增强相会降低其变形过程中空洞的长大，有利于镁合金超塑性的进一步提高。
四、计算机模拟技术在材料研究方面的应用
2、内容
基于密度泛函理论的第一性原理方法可根据系统中原子的类型和数目，预测AZ91镁合金的晶格常数、弹性常数、弹性模量、热焓、态密度以及电荷密度等性质；根据计算出的总能量、结合能和热焓判断其热稳定性和结构稳定性；根据体模量、杨氏模量和弹性常数等分析其强度、韧性等力学性能[24]。由此对AZ91镁合金中合金相的作用机理做出合理解释。
因为AZ91镁合金中生成了一种具有耐腐蚀性能但在一定温度(150℃以上)下耐热性和抗蠕变性能极差的Mg17Al12相，所以本课题主要研究在AZ91镁合金中加入Y元素，使合金中Mg17Al12相的成分降低，生成稳定性更好的Al2Y，以达到强化其机体结构，改善AZ91镁合金在150℃以上温度耐热性和抗高温蠕变性差的缺陷，使AZ91镁合金获得更为广泛的应用。
中北大学
毕业论文开题报告
学生姓名：
李春伟
学号：
0903014143
学院、系：
材料科学与工程学院材料加工工程系
专业：
金属材料工程
论文题目：
合金元素Y对AZ91镁合金性能影响的
第一性原理研究
指导教师:
乔玉
2012年3月15日
毕业论文开题报告
1．结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：
在材料研究过程中，由于系统的参量多、环境条件复杂，得到的数学公式只能是近似的而无法确切知道某些系统在外界条件可能的变化情况下会产生的反应和结果。计算机模拟技术的介入使这一现状得到改观，它具有精确的实验数据、及时的数据分析及反馈并立即指导现场等特点，为材料科学研究和生产提供了新的工具，把材料科学的发展速度提高到一个新的阶段[23]。尤其是Materials Studio软件在材料研究领域已经获得了极为广发的应用。
镁铝合金又名铝镁合金，是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成的。其分子式为Mg4Al3，分子量为178.22，颜色为灰褐色，比重约为2.15g/cm3，熔点463℃，燃烧时产生的温度高达2000℃～3000℃。镁铝合金的性能特点是：比重小硬度高、比强度高、热传导能力良好、较好的电磁波屏蔽性和机械加工性。
[11]Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov I V. Bulk Nanostructure Materials from severe plastic deformation [J].Prog. Mater. Sci.,2000,45:103-110
参考文献：
[1]张永忠,张奎,樊建忠等.镁合金及其在汽车工业中的应用[J].特种铸造及有色合金,1999:54-56
[2]Brown R.Magnesium automotive meeting [J].Light Metal Age.,1992,20(5-6):18-24
[3]许娟,李鹏飞,郭峰等. Y对AZ91镁合金铸态组织和性能的影响[A].轻金属, 2009, (7): 46-48
作为Materials Studio中极为重要的模块之一，CASTEP和DMol3在镁合金材料的模拟计算中起着重要作用。CASTEP是先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究晶体材料的性质(半导体、陶瓷、金属、分子筛等)、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构(能带及态密度)、晶体的光学性质、点缺陷性质(如空位、间隙或取代掺杂)、扩展缺陷(晶粒间界、位错)、体系的三维电荷密度及波函数等。DMol3是独特的密度泛函(DFT)量子力学程序，也是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。
文献综述
一、镁合金及镁-铝系合金简介
镁合金是以镁为基础加入其他合金元素组成的合金。其特点是：密度小、比强度高、铸造成型性好、比弹性模量大，散热性好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金强，耐有机物和碱的腐蚀性能良好。目前在镁合金制造中加入的主要合金元素有：铝、锌、锰、铈、钇、钍以及少量锆或镉等，并逐渐形成了Mg-Mn系、Mg-Al系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-RE-Zr系等合金系。
[8]余琨,黎文献,张世军等. Ce对镁及镁合金中晶粒的细化机理[J].稀有金属材料与工程, 2005, (7): 33-69