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镁合金作为低密度、高强度新型结构材料,被广泛用于汽车及航空航天领域,其主要的缺陷是高温力学性能较差,过去研究聚焦于添加高含量的Si元素以及微量的稀土元素Ce、La等,Si与Mg反应原位生成Mg2Si高温相分布于镁基体内,而稀土元素则有吸附毒化效果从而降低Mg2Si相尺寸。然而稀土元素对Mg2Si增强相的变质作用有限,故本论文通过降低Si含量,提高稀土含量来获得Mg-Si-RE(RE=Ce、La)合金。通过微观结构表征和性能实验来探究多元中间相的形成机制、形貌特征及相界面的取向关系,基于第一性原理计算中间相的力学性能和热力学性能,从而为开发新型镁合金材料提供必要的理论基础。首先,分别用重力铸造和快速凝固工艺制备了 Mg-1Si-RE(RE=Ce,La)合金。分析发现,重力铸造工艺制备的Mg-1Si-3RE(RE=Ce,La)合金中,Mg-1Si-3Ce和Mg-1Si-3La合金分别形成了白色稀土相CeMg2Si2和LaMg2Si2;而Mg-1Si-1.5Ce-1.5La合金中形成了四边形片状相CeLaMg4Si4和长棒状的稀土相(CeLa)MgSi。另外,快速凝固工艺制备的Mg-1Si-3RE(RE=Ce,La)合金中,分别添加Ce和La形成了尺寸为5fim左右的四边形片状CeMg2Si2和八面体颗粒状LaMg2Si2,而混合添加Ce和La得到的Mg-1Si-1.5Ce-1.5La只形成了四边形片状掺杂稀土相CeLaMg4Si4,通过TEM发现形成的掺杂稀土相嵌在Mg2Si内部,其(002)面与Mg2Si(020)面形成51.96°。维氏硬度测试结果表明,CeMg2Si2的维氏硬度和杨氏模量最大,Mg2Si和CeLaMg4Si4次之,而LaMg2Si2的维氏硬度和杨氏模量最小,因此CeMg2Si2可作为性能优异的Mg基增强相,同时,合金相的硬度越大其对应的杨氏模量也越大。室温抗压性能测试结果表明,Mg-1Si-3Ce合金的抗压强度最大为260MPa,其次为Mg-1Si合金、Mg-1Si-1.5Ce-1.5La,而Mg-1Si-3La的抗压强度最小。其次,计算了 Mg-1Si-RE(RE=Ce,La)合金中析出相及掺杂相的结构稳定性、机械性能、弹性各向异性和德拜温度。根据Mg-1Si-RE(RE=Ce,La)合金析出相结合能和形成焓计算结果,CeSi2、LaSi2、Mg2Si、LaMg2Si2、CeLaMg4Si4和CeMg2Si2六种相的结合能都为负值,表明这六种相都为稳定的分子结构,而除了形成CeMg2Si2和CeLaMg4Si4为吸热反应,形成其余的相都为放热反应,这六种相的结构稳定性和形成难易度按从弱到强和从难到易排序为:CeSi2>LaSi2>Mg2Si>LaMg2Si2>CeLaMg4Si4>CeMg2Si2。根据态密度曲线图,Mg2Si、CeMg2Si2、LaMg2Si2、CeSi2、LaSi2以及CeLaMg4Si4相原子间均发生了杂化,均形成了大量的共价键;布居分析结果显示,这六种相均形成了离子键和共价键,且其共价键强弱顺序为:CeSi2>LaSi2>CeLaMg4Si4>LaMg2Si2>CeMg2Si2>Mg2Si;金属性强弱为:CeSi2>LaSi2>CeLaMg4Si4>Mg2Si>LaMg2Si2>CeMg2Si2。单晶弹性常数显示,整体上C33的值大于C11的值,表明CeMg2Si2、LaMg2Si2、CeSi2、LaSi2和CeLaMg4Si4在z轴上的抗压力变形能力大于其在x轴上的抗变形能力。弹性性能计算结果表明:抗体积变化能力和抗剪切应力能力按从强到弱依次为:LaSi2>CeSi2>LaMg2Si2>CeLaMg4Si4>CeMg2Si2>Mg2Si 和 CeLaMg4Si4>LaMg2Si2>LaSi2>CeMg2Si2>Mg2Si>CeSi2,刚度按从大到小的顺序为:LaSi2>LaMg2Si2>CeLaMg4Si4>CeMg2Si2>CeSi2>Mg2Si,塑性从大到小为:CeSi2>LaSi2>LaMg2Si2>CeLaMg4Si4>CeMg2Si2>Mg2Si,且这六种相都为脆性相,硬度为:CeMg2Si2>Mg2Si=CeLaMg4Si4>LaMg2Si2>LaSi2>CeSi2。弹性各向异性结果显示:通用各向异性指数由大到小排序为:CeSi2>CeLaMg4Si4>LaMg2Si2>CeMg2Si2>LaSi2>Mg2Si,CeLaMg4Si4在(010)和(001)面的杨氏模量各向异性最大,其(100)、(010)和(001)面的体积模量各向异性最大,且(100)和(010)面的剪切模量各向异性最大。德拜温度计算结果显示:Mg2Si>CeMg2Si2>LaMg2Si2>CeLaMg4Si4>LaSi2>CeSi2,表明Mg2Si原子间的键合较强,对应之的热导率和导热系数较强。综合分析表明,稀土元素Ce的添加可以形成固溶强化效果。形成的CeMg2Si2、LaMg2Si2、CeLaMg4Si4可与Mg2Si相形成半共格界面关系,从而强化镁合金的屈服强度;同时形成的CeMg2Si2、LaMg2Si2、CeLaMg4Si4分布于镁基体中,导致弥散强化效果。计算和实验结果都表明CeMg2Si2相有较好的强化效果,故其可作为优异的强化相。