Exploring solute behavior and texture selection in magnesium alloys at the atomistic level

Abstract

This study advances our understanding of how chemical binding and solute distribution impact grain boundary segregation behavior and subsequent annealing texture modification in lean Mg-X-Zn alloys (X = RE or Ca). Notably, differences in Ca and Gd solute behavior at grain boundaries were revealed, where Ca exhibited stronger binding to vacancy sites than Gd, resulting in elevated Ca segregation and an RD-TD-type texture. The introduction of Zn showed significant synergistic effects on solute clustering, with Gd-Zn pairs forming more favorably than Ca-Zn pairs, leading to a strong synergy between Zn and Gd. This promoted their co-segregation and high concentration at the grain boundary, generating a unique TD-spread texture. In contrast, weaker binding in Ca-Zn pairs did not affect Ca segregation but influenced Zn segregation, which underscores the importance of solute binding behavior in alloy design concepts. Additionally, the combined atomic-scale experiments and ab initio predictions provide strong evidence that selective texture development in Mg alloys is tied to heterogeneous solute-boundary interactions, where the sensitivity of the binding energy to volumetric strain affects solute segregation at grain boundaries, resulting in varying grain boundary mobilities and specific texture component growth. It also emphasizes that solute behavior in clustering and segregation is influenced not only by atomic size but also by chemical binding strength with vacancies or co-added Zn.

Recommended citation: Mouhib, Xie, Atila, Géunolé, Korte-Kerzel, Al-Samman. "Exploring Solute Behavior and Texture Selection in Magnesium Alloys at the Atomistic Level." Acta Materialia. (2024).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates how adding small amounts of specific elements, called solutes, to magnesium alloys affects their internal structure and how they form textures (preferred orientations of grains) after heat treatment. The researchers focused on magnesium alloys with either rare earth elements (like Gadolinium, Gd) or Calcium (Ca), often combined with Zinc (Zn). They found that different solutes behave differently at grain boundaries, which are the interfaces between crystal grains. Specifically, Calcium tends to bind more strongly to certain sites at grain boundaries than Gadolinium. The addition of Zinc plays a crucial role, forming stronger pairs with Gadolinium than with Calcium, leading to more of these Gd-Zn pairs gathering at grain boundaries. This difference in how solutes gather at grain boundaries significantly influences the final texture of the alloy, with Gd-Zn combinations promoting a specific type of texture spread. The study highlights that the way solutes interact with each other and with the alloy's structure at the atomic level is key to controlling the material's properties and texture.

🇸🇦 العربية
تستكشف هذه الدراسة كيف يؤثر إضافة كميات صغيرة من عناصر محددة، تسمى المواد المذابة، إلى سبائك المغنيسيوم على بنيتها الداخلية وكيفية تشكيلها للقوام (التوجهات المفضلة للحبوب) بعد المعالجة الحرارية. ركز الباحثون على سبائك المغنيسيوم التي تحتوي إما على عناصر أرضية نادرة (مثل الجادولينيوم، Gd) أو الكالسيوم (Ca)، وغالبًا ما تكون مدمجة مع الزنك (Zn). وجدوا أن المواد المذابة المختلفة تتصرف بشكل مختلف عند حدود الحبوب، وهي الواجهات بين الحبوب البلورية. على وجه التحديد، يميل الكالسيوم إلى الارتباط بقوة أكبر بمواقع معينة عند حدود الحبوب مقارنة بالجادولينيوم. يلعب إضافة الزنك دورًا حاسمًا، حيث يشكل أزواجًا أقوى مع الجادولينيوم مقارنة بالكالسيوم، مما يؤدي إلى تجمع المزيد من أزواج Gd-Zn هذه عند حدود الحبوب. يؤثر هذا الاختلاف في كيفية تجمع المواد المذابة عند حدود الحبوب بشكل كبير على القوام النهائي للسبيكة، حيث تعزز تركيبات Gd-Zn نوعًا معينًا من انتشار القوام. تؤكد الدراسة أن الطريقة التي تتفاعل بها المواد المذابة مع بعضها البعض ومع بنية السبيكة على المستوى الذري هي مفتاح التحكم في خصائص المادة وقوامها.

🇫🇷 Français
Cette étude examine comment l'ajout de petites quantités d'éléments spécifiques, appelés solutés, aux alliages de magnésium affecte leur structure interne et la façon dont ils forment des textures (orientations préférentielles des grains) après traitement thermique. Les chercheurs se sont concentrés sur les alliages de magnésium contenant soit des éléments de terres rares (comme le Gadolinium, Gd), soit du Calcium (Ca), souvent combinés avec du Zinc (Zn). Ils ont découvert que différents solutés se comportent différemment aux joints de grains, qui sont les interfaces entre les grains cristallins. Plus précisément, le Calcium a tendance à se lier plus fortement à certains sites aux joints de grains que le Gadolinium. L'ajout de Zinc joue un rôle crucial, formant des paires plus fortes avec le Gadolinium qu'avec le Calcium, ce qui entraîne une accumulation accrue de ces paires Gd-Zn aux joints de grains. Cette différence dans la manière dont les solutés s'accumulent aux joints de grains influence significativement la texture finale de l'alliage, les combinaisons Gd-Zn favorisant un type spécifique d'étalement de texture. L'étude souligne que la manière dont les solutés interagissent entre eux et avec la structure de l'alliage au niveau atomique est essentielle pour contrôler les propriétés et la texture du matériau.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht, wie die Zugabe kleiner Mengen spezifischer Elemente, sogenannter gelöster Stoffe, zu Magnesiumlegierungen ihre innere Struktur und die Ausbildung von Texturen (bevorzugte Kornorientierungen) nach Wärmebehandlung beeinflusst. Die Forscher konzentrierten sich auf Magnesiumlegierungen mit entweder Seltenerdelementen (wie Gadolinium, Gd) oder Kalzium (Ca), oft in Kombination mit Zink (Zn). Sie stellten fest, dass sich verschiedene gelöste Stoffe an Korngrenzen, den Grenzflächen zwischen Kristallkörnern, unterschiedlich verhalten. Insbesondere neigt Kalzium dazu, stärker an bestimmten Stellen an Korngrenzen zu binden als Gadolinium. Die Zugabe von Zink spielt eine entscheidende Rolle, da es stärkere Paare mit Gadolinium als mit Kalzium bildet, was zu einer Anreicherung dieser Gd-Zn-Paare an Korngrenzen führt. Dieser Unterschied in der Anreicherung von gelösten Stoffen an Korngrenzen beeinflusst maßgeblich die endgültige Textur der Legierung, wobei Gd-Zn-Kombinationen eine spezifische Art der Texturverteilung fördern. Die Studie hebt hervor, dass die Art und Weise, wie gelöste Stoffe miteinander und mit der Legierungsstruktur auf atomarer Ebene interagieren, der Schlüssel zur Kontrolle der Materialeigenschaften und Textur ist.