一种铝合金中Mg2Si相原子堆垛的表征方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金中Mg2Si相在形核衬底上原子堆垛的表征方法，该方法包括以下步骤：建立形核衬底三维超晶胞模型；根据错配度理论计算出错配度较小的衬底与新生相结合的界面，构建对应的衬底晶面与新生相间所有可能存在的吸附模型；根据公式计算不同吸附模型下的吸附能，对新生相原子在形核衬底上的原子堆垛进行表征。本发明专利技术从原子角度探究形核衬底与新生相原子之间的相互作用，揭示新生相在生长初期的原子堆垛方式。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金中Mg2Si相原子堆垛的表征方法
：本专利技术涉及一种新生相在形核衬底上原子堆垛的表征
，尤其是涉及一种铝合金中Mg2Si相在形核衬底上原子堆垛的表征方法。
技术介绍
：铝合金在很多工程领域得到广泛应用，纯铝本身有强度低、硬度低、熔点低的缺点，目前改善铝合金性能的最主要方法就是合金强化。合理控制铝合金中Mg、Si元素含量，使Mg2Si在凝固过程中以初生相的形式析出，可以有效起到颗粒增强的作用，显著提高铝合金的力学性能。但通过熔铸法得到的Al-Mg2Si合金中，初生Mg2Si一般比较粗大，易割裂基体，不利于合金性能的提高。有研究者根据Bramfitt二维晶格错配模型进行错配度计算,提出AlP、Al4Sr和Mg3Sb2可充当Mg2Si的良好形核衬底，增加Mg2Si的形核质点，有效细化Mg2Si晶粒，从而提高铝合金的性能。在细化晶粒的研究中，扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等仪器常被用来研究晶粒大小和物相结构等以揭示细化机制，但不能通过实验手段对细化变质机理进行更本质上的研究。目前逐渐有学者通过第一性原理揭示异质形核机理，此类方法中大多是根据晶格错配度的计算，构建出错配度较小的形核衬底与新生相间的界面模型，从而计算出界面的电子结构、成键特性和结合强度，在原子和电子角度上解释形核衬底对新生相的作用机制。然而，目前还没有研究揭示出新生相与衬底形成界面前的生长初期，新生相在衬底上的堆垛及生长方式。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种铝合金中形核衬底与新生相Mg2Si中Mg、Si原子相互作用的表征方法。本专利技术前期借助基于第一性原理的密度泛函理论，根据晶格错配度计算，构建出错配度较小的衬底与新生相的界面模型，进而选出与新生相结合较好的衬底晶面，来研究异质形核初期，该衬底晶面上的新生相的原子堆垛及生长方式，建立衬底与新生相原子之间的吸附模型，可以有效解决传统实验手段所不能探究到的原子尺寸级别的问题，从根源上探究晶粒细化机制。一种铝合金中Mg2Si相原子堆垛的表征方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立形核衬底的三维超晶胞原子模型，其大小为N×N×N，其中原子模型晶格常数＝单胞晶格常数×超晶胞维数，单胞晶格常数是形核衬底单胞能量最低时的晶格常数，超晶胞维数是满足计算精度要求的维数最小值；步骤二、根据晶格错配度理论，计算出错配度较小时衬底与新生相形成界面的晶面，建立晶面模型；衬底晶面与新生相晶面均存在两种堆垛方式：1)每个原子层中只包含同一种原子，即有不同的终止面；2)每个原子层中同时出现不同种原子；当衬底和新生相均存在两种不同的原子时，衬底中两种原子分别记为A、B，新生相中两种原子分别记为Ⅰ、Ⅱ，衬底与新生相发生界面结合时存在下列4种情况：1)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相晶面每个原子层中也只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ；2)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ；3)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相晶面每个原子层中只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ；4)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ；步骤三、根据步骤二中所列出的衬底与新生相界面结合的4种情况，建立衬底晶面吸附新生相原子的吸附模型，各种结合情况下的吸附模型如下：1)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相晶面每个原子层中也只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ：a.衬底晶面以A原子终止，在一个A原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；b.衬底晶面以A原子终止，在一个A原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；c.衬底晶面以B原子终止，在一个B原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；d.衬底晶面以B原子终止，在一个B原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；2)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ：e.衬底晶面以A原子终止，分别在两个A原子的上方同时吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；f.衬底晶面以B原子终止，分别在两个B原子的上方同时吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；3)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相晶面每个原子层中只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ：g.衬底晶面的A原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；h.衬底晶面的A原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；i.衬底晶面的B原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；j.衬底晶面的B原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；4)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ：k.衬底晶面A和B原子上分别对应吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；l.衬底晶面A和B原子上分别对应吸附新生相中的Ⅱ、Ⅰ原子各一个；m.衬底晶面两个A原子上分别对应吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；n.衬底晶面两个B原子上分别对应吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；步骤四、根据公式(1)计算步骤三中各个吸附模型的吸附能：Εads＝Ε0+Ε1-ΕT(1)公式(1)中，Εads代表吸附能，Ε0表示衬底没有吸附原子时的体系的总能量，Ε1表示吸附的原子的总能量，ΕT表示吸附原子后体系的总能量；步骤五、吸附能越大，原子越容易被吸附在衬底晶面上，通过比较以上各吸附模型吸附能的大小，可以确定新生相原子在衬底上的堆垛方式，现将该堆垛方式表征如下：(1)同种衬底晶面吸附不同原子时，吸附能大的原子优先吸附，即该原子或该原子层在衬底上优先堆垛；(2)不同衬底晶面吸附同种原子，吸附能越大，表明该原子越容易优先在该衬底晶面或终止面上堆垛；(3)同种衬底晶面吸附同种原子，只是衬底和新生相间原子对应位置不同时，原子优先按吸附能大的方式堆垛；(4)不同衬底晶面吸附不同原子时，吸附能较大的模型所对应的衬底和新生相间的界面越容易形成。步骤三中所述的所有可能存在的吸附模型是根据步骤二中计算的错配度较小的界面建立的。与以往的技术相比，本专利技术的突出优点是：1.根据第一性原理构建形核衬底与新相之间的吸附模型，得到的形核衬底与新生相原子之间相互作用的吸附能，可以进一步解释根据错配度计算所构建的界面模型的原子堆垛方式，能够较真实地反映出新生相在生长初期与形核衬底的结合方式和材料内部微观结构的变化，从原子尺度上探讨细化变质机理，进而揭示组织决定性能的本质原因；2.弥补了传统实验手段只能做定性分析的不足，有效的理论计算能进行定量分析，从而更能完善细化变质理论，具有说服力；3.该方法没有具体计算衬底原子与新生相原子之间复杂的相互作用，而是将它们之间的作用以吸附能的形式表示出来，方法简单可靠。4.适用范围广，不仅可以对Mg2Si在形核衬底上堆垛的行为进行表征，也可以对其他新生相原子在衬底上的堆垛进行分析。附图说明图1(a)为AlP(100)Al终止面吸附Mg、Si原子的俯视图；图1(b)为AlP(100)Al终止面吸附Mg、Si原子的主视图；图2(a)为AlP(100)P终止面吸附Mg、Si原子的俯视图；图2(b)为AlP(100)P终止面吸附Mg、Si原子的主视图。具体实施方式：以下通过AlP作为Mg2Si的形核衬底为例，建立AlP吸附Mg、Si原子吸附模型，讲述本专利技术的详细过程，应说明的是：以下实例仅以说明本专利技术而非限制本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金中Mg2Si相原子堆垛的表征方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立形核衬底的三维超晶胞原子模型，其大小为N×N×N，其中原子模型晶格常数＝单胞晶格常数×超晶胞维数，单胞晶格常数是形核衬底单胞能量最低时的晶格常数，超晶胞维数是满足计算精度要求的维数最小值；步骤二、根据晶格错配度理论，计算出错配度较小时衬底与新生相形成界面的晶面，建立晶面模型；衬底晶面与新生相晶面均存在两种堆垛方式：1)每个原子层中只包含同一种原子，即有不同的终止面；2)每个原子层中同时出现不同种原子；当衬底和新生相均存在两种不同的原子时，衬底中两种原子分别记为A、B，新生相中两种原子分别记为Ⅰ、Ⅱ，衬底与新生相发生界面结合时存在下列4种情况：1)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相晶面每个原子层中也只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ；2)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ；3)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相晶面每个原子层中只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ；4)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ；步骤三、根据步骤二中所列出的衬底与新生相界面结合的4种情况，建立衬底晶面吸附新生相原子的吸附模型，各种结合情况下的吸附模型如下：1)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相晶面每个原子层中也只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ：a.衬底晶面以A原子终止，在一个A原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；b.衬底晶面以A原子终止，在一个A原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；c.衬底晶面以B原子终止，在一个B原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；d.衬底晶面以B原子终止，在一个B原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；2)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ：e.衬底晶面以A原子终止，分别在两个A原子的上方同时吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；f.衬底晶面以B原子终止，分别在两个B原子的上方同时吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；3)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相晶面每个原子层中只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ：g.衬底晶面的A原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；h.衬底晶面的A原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；i.衬底晶面的B原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；j.衬底晶面的B原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；4)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ：k.衬底晶面A和B原子上分别对应吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；l.衬底晶面A和B原子上分别对应吸附新生相中的Ⅱ、Ⅰ原子各一个；m.衬底晶面两个A原子上分别对应吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；n.衬底晶面两个B原子上分别对应吸附新生相中的Ⅰ、Ⅱ原子各一个；步骤四、根据公式(1)计算步骤三中各个吸附模型的吸附能：Εads＝Ε0+Ε1‑ΕT                   (1)公式(1)中，Εads代表吸附能，Ε0表示衬底没有吸附原子时的体系的总能量，Ε1表示吸附的原子的总能量，ΕT表示吸附原子后体系的总能量；步骤五、吸附能越大，原子越容易被吸附在衬底晶面上，通过比较以上各吸附模型吸附能的大小，可以确定新生相原子在衬底上的堆垛方式，现将该堆垛方式表征如下：(1)同种衬底晶面吸附不同原子时，吸附能大的原子优先吸附，即该原子或该原子层在衬底上优先堆垛；(2)不同衬底晶面吸附同种原子，吸附能越大，表明该原子越容易优先在该衬底晶面或终止面上堆垛；(3)同种衬底晶面吸附同种原子，只是衬底和新生相间原子对应位置不同时，原子优先按吸附能大的方式堆垛；(4)不同衬底晶面吸附不同原子时，吸附能较大的模型所对应的衬底和新生相间的界面越容易形成。...

【技术特征摘要】
1.一种铝合金中Mg2Si相原子堆垛的表征方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立形核衬底的三维超晶胞原子模型，其大小为N×N×N，其中原子模型晶格常数＝单胞晶格常数×超晶胞维数，单胞晶格常数是形核衬底单胞能量最低时的晶格常数，超晶胞维数是满足计算精度要求的维数最小值；步骤二、根据晶格错配度理论，计算出错配度较小时衬底与新生相形成界面的晶面，建立晶面模型；衬底晶面与新生相晶面均存在两种堆垛方式：1)每个原子层中只包含同一种原子，即有不同的终止面；2)每个原子层中同时出现不同种原子；当衬底和新生相均存在两种不同的原子时，衬底中两种原子分别记为A、B，新生相中两种原子分别记为Ⅰ、Ⅱ，衬底与新生相发生界面结合时存在下列4种情况：1)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相晶面每个原子层中也只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ；2)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ；3)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相晶面每个原子层中只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ；4)衬底晶面每个原子层中同时出现两种原子A和B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ；步骤三、根据步骤二中所列出的衬底与新生相界面结合的4种情况，建立衬底晶面吸附新生相原子的吸附模型，各种结合情况下的吸附模型如下：1)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相晶面每个原子层中也只包含同一种原子Ⅰ或Ⅱ：a.衬底晶面以A原子终止，在一个A原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；b.衬底晶面以A原子终止，在一个A原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；c.衬底晶面以B原子终止，在一个B原子上吸附新生相中的一个Ⅰ原子；d.衬底晶面以B原子终止，在一个B原子上吸附新生相中的一个Ⅱ原子；2)衬底晶面每个原子层中只包含同一种原子A或B，新生相每个原子层中同时出现两种原子Ⅰ和Ⅱ：e.衬底晶面以A原子终止，分别在两个A原子的上方同时吸附新生相中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冲，孙佳悦，刘永长，贺靖淳，余黎明，李会军，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12