晶界(GB)偏析可以顯著改變力學(xué)性能，要通過(guò)控制GB來(lái)調(diào)控性能，需要了解添加不同元素對(duì)偏析行為影響。磷雖然對(duì)強(qiáng)度、機(jī)加工性能和耐蝕性有一定的影響，但長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是鋼材脆化的原因之一。相比之下，碳和硼在鐵素體鋼中以其GB強(qiáng)化效果而聞名。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)B和C可以減輕P引起的脆性，脆性減弱歸因于強(qiáng)化合金元素的內(nèi)在作用或由它們引起的P偏析減少。B/C和P的排斥作用和點(diǎn)位競(jìng)爭(zhēng)被認(rèn)為是抑制P偏析的原因。雖然精確的晶格點(diǎn)位和原子相互作用很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但可以通過(guò)第一原理計(jì)算獲得。基于Rice-Wang模型，可用溶質(zhì)原子與相應(yīng)自由表面(FS)之間的偏析能差來(lái)評(píng)估GB。利用這一概念的第一性原理計(jì)算可以正確預(yù)測(cè)溶質(zhì)原子的強(qiáng)化/脆化效應(yīng)。已有學(xué)者開(kāi)展了類(lèi)似研究，但這些研究都沒(méi)能解釋一定量的P不引起脆性的現(xiàn)象，也沒(méi)有考慮B/C和P之間的相互作用。 北京科技大學(xué)的研究人員基于Rice-Wang模型，對(duì)磷、硼、碳元素分別和共同在晶界偏析對(duì)晶界粘聚力的影響進(jìn)行了比較，并對(duì)其相互作用進(jìn)行了計(jì)算。相關(guān)論文以題為“First-principles study on the P-induced embrittlement and de-embrittling effect of B and C in ferritic steels”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117260

研究發(fā)現(xiàn)間隙B和C顯示出比間隙P更強(qiáng)的偏析傾向，這解釋了實(shí)驗(yàn)觀察到的通過(guò)添加B和C降低P偏析的原因。間隙偏析位置對(duì)B、C和P在能量上比置換位置更有利。磷對(duì)GB粘聚力的影響具有濃度和點(diǎn)位依賴(lài)性。在低濃度下。P原子傾向于位于間隙位置，這對(duì)GB粘聚力影響不大。當(dāng)處于臨界集中狀態(tài)的時(shí)，所有的間隙都被消耗掉，它們開(kāi)始占據(jù)置換點(diǎn)位，并對(duì)GB粘聚力產(chǎn)生不利影響。這解釋了磷只在一定濃度范圍內(nèi)才會(huì)引起明顯脆化的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。

圖1 晶界處溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用能計(jì)算示意圖

圖2 P原子加入前后晶界結(jié)構(gòu)變化

圖3 B原子取代Fe原子后的晶界結(jié)構(gòu)

圖4 P偏析晶界電荷密度差

圖5 間隙偏析在晶界、低能量表面、高能量表面的原子結(jié)構(gòu)

圖6 置換分離在晶界、低能量表面、高能量表面的原子結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)地研究了B、C、P對(duì)鐵素體鋼中GB粘聚力的影響以及B、C對(duì)P致脆的脫脆作用。間隙B和C均具有增強(qiáng)作用，特別是B在極低濃度下仍能顯著增強(qiáng)GB粘聚力。與P類(lèi)似，當(dāng)置換B原子起作用時(shí)，GB粘聚力也會(huì)降低，但由于預(yù)偏析間隙B的強(qiáng)烈強(qiáng)化作用，B在高濃度時(shí)的整體效果仍是有利的。GB粘聚力是由晶格畸變和斷裂時(shí)的化學(xué)結(jié)合變化決定的。間隙B和C的強(qiáng)化作用主要?dú)w因于GB處的Fe-B/C化學(xué)作用，而強(qiáng)烈的晶格畸變是置換P引起脆性的主要原因。用B或C代替間隙P可以緩解間隙P的強(qiáng)烈變形，并在一定程度上恢復(fù)GB粘聚力。本文基于Rice-Wang模型，提出了一種基于晶體軌道哈密爾頓群積分(ICOHP)概念的方法來(lái)量化斷裂時(shí)化學(xué)鍵的變化，本文對(duì)理解鋼材中磷致脆性并進(jìn)行改善有重要意義。

審核編輯 ：李倩