Comperhensive Studies of Stacking Faults Energies in Mg and Mg Alloys

Magnesium (Mg) alloys have gained significant attention due to their lightweight nature, excellent strength-to-weight ratio, and corrosion resistance.These remarkable advantages make them promising candidates for many industries including aerospace, automotive, and transportation.Mg alloys also exhibit great potential as hydrogen storage materials, contributing to the development of clean energy solutions.Despite their advantages, Mg alloys suffer from many drawbacks, in particular low ductility and formability, significantly limiting their applications.The low ductility and formability of Mg alloys are directly associated with their fundamental hexagonal-closepacked (hcp) crystal structure, which exhibits a shortage of distinct deformation modes essential for achieving uniform deformation at lower temperatures.The significance of stacking fault energy (SFE) in metals and alloys is widely recognized as a crucial factor governing plastic deformation behavior and mechanical properties.This thesis addresses the challenges associated with SFE in Mg alloys and explores potential strategies to overcome these limitations.The research focuses on investigating various types of SFE in Mg alloys, the influence of alloying elements on SFE, and the underlying patterns.Additionally, the study aims to develop predictive models for SFE and analyze its relationship.Utilizing Density Functional Theory (DFT) calculations, the SFE on basal, prismatic, and pyramidal planes in Mg alloys are systematically explored, including stable and unstable stacking faults.The two main aspects prescribing the solute effect on SFE were elucidated to be mechanical and electronic in nature respectively, and critically assessed.On the base of the misfit volume and ii d-electrons, a predictive model of the solute effect on the SFE was developed, with good agreement achieved between the model prediction and DFT results.Then, the similar DFT calculations were carried out on ternary Mg alloys.The binding energies between solutes were calculated to determine the possibility of the formation of solute pairs as a preliminary work.Predictive models are developed for estimating SFE effects, revealing solute pairs that mimic rare earth elements and show potential for improved ductility.Through an analysis of Electron Backscatter Diffraction (EBSD) results from Mg alloys after the rolling test, it is observed that rare earth elements significantly reduce the prismatic SFE.This reduction contributes to a decreased anisotropy in the SFE of Mg alloys, consequently enhancing their plasticity.These findings provide valuable insights into optimizing the plasticity of Mg alloys by considering the interplay between stress, alloying elements, and SFE.Finally, the SFE studies were expanded to encompass multicomponent alloys.We introduce a systematic workflow for SFE calculation, applying it to 20 diverse metals and alloys.Leveraging machine learning (ML) techniques, we reveal intricate relationships between SFE, atomic structure, and the influence of solute elements.This research significantly advances the field of materials science and engineering, providing fresh insights into SFE and its implications.This research contributes a profound understanding of the impact of alloying elements on SFE and provides constructive insights for the design of novel high-strength Mg alloys.The findings not only advance the fundamental knowledge of Mg alloy behavior but also offer practical recommendations for the development of enhanced materials.iii Ré sumé Les alliages de magné sium (Mg) ont suscité beaucoup d'attention en raison de leur lé gè reté , de leur excellente ratio ré sistance-poids et de leur ré sistance à la corrosion.Ces avantages remarquables en font des candidats prometteurs pour de nombreuses industries, notamment l'aé rospatiale, l'automobile et les transports.Les alliages de Mg pré sentent é galement un grand potentiel en tant que maté riaux de stockage d'hydrogè ne, contribuant au dé veloppement de solutions é nergé tiques propres.Malgré leurs avantages, les alliages de Mg pré sentent de nombreux inconvé nients, en particulier une faible ductilité et une faible formabilité , limitant considé rablement leurs applications.La faible ductilité et la faible formabilité des alliages de Mg sont directement lié es à leur structure cristalline hexagonale compacte (hcp), qui pré sente une insuffisance de modes de dé formation distincts essentiels pour obtenir une dé formation uniforme à des tempé ratures plus basses.La signification de l'é nergie d'empilement des dé fauts (SFE) dans les mé taux et les alliages est largement reconnue comme un facteur crucial ré gissant le comportement de dé formation plastique et les proprié té s mé caniques.Cette thè se aborde les dé fis associé s à la SFE dans les alliages de Mg et explore des straté gies potentielles pour surmonter ces limitations.La recherche se concentre sur l'investigation des diffé rents types de SFE dans les alliages de Mg, l'influence des é lé ments d'alliage sur la SFE, et les modè les sous-jacents.De plus, l'é tude vise à dé velopper des modè les pré dictifs pour la SFE et à analyser sa relation.En utilisant des calculs de la thé orie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la SFE sur les plans basal, prismatique et pyramidal dans les alliages de Mg est exploré e de maniè re systé matique, y compris les dé fauts d'empilement stables et instables.Les deux principaux aspects prescrivant iv l'effet du soluté sur la SFE ont é té é lucidé s comme é tant respectivement mé caniques et é lectroniques, et é valué s de maniè re critique.Sur la base du volume de mé sappariement et des dé lectrons, un modè le pré dictif de l'effet du soluté sur la SFE a é té dé veloppé , avec un bon accord entre la pré diction du modè le et les ré sultats DFT.Ensuite, des calculs similaires de DFT ont é té effectué s sur des alliages de Mg ternaires.Les é nergies de liaison entre les soluté s ont é té calculé es pour dé terminer la possibilité de formation de paires de soluté s en tant que travail pré liminaire.Des modè les pré dictifs sont dé veloppé s pour estimer les effets de la SFE, ré vé lant des paires de soluté s qui imitent les terres rares et montrent un potentiel d'amé lioration de la ductilité .À travers une analyse des ré sultats de Diffraction des é lectrons ré trodiffusé s (EBSD) à partir des alliages de Mg aprè s le test de laminage, il est observé que les terres rares ré duisent significativement la SFE prismatique.Cette ré duction contribue à une diminution de l'anisotropie dans la SFE des alliages de Mg, amé liorant ainsi leur plasticité .Ces dé couvertes fournissent des informations pré cieuses pour optimiser la plasticité des alliages de Mg en considé rant l'interaction entre le stress, les é lé ments d'alliage et la SFE.Enfin, les é tudes de SFE ont é té é largies pour englober les alliages à plusieurs composants.Nous introduisons un flux de travail systé matique pour le calcul de la SFE, l'appliquant à 20 mé taux et alliages divers.En utilisant des techniques d'apprentissage automatique (ML), nous ré vé lons des relations complexes entre la SFE, la structure atomique et l'influence des é lé ments de soluté .Cette recherche fait progresser de maniè re significative le domaine de la science et de l'ingé nierie des maté riaux, fournissant de nouvelles perspectives sur la SFE et ses implications.Cette recherche apporte une compré hension profonde de l'impact des é lé ments d'alliage sur la SFE et offre des perspectives constructives pour la conception de nouveaux alliages de Mg à haute v ré sistance.Les ré sultats avancent non seulement les connaissances fondamentales sur le comportement des alliages de Mg, mais offrent é galement des recommandations pratiques pour le dé veloppement de maté riaux amé lioré s. vi

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