[发明专利]一种铝合金中Mg2Si相原子堆垛的表征方法

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明涉及一种新生相在形核衬底上原子堆垛的表征技术领域，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。

背景技术：

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。

发明内容：

本发明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。本发明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；