铁素体钢中B和C的P致脆和脱脆效应的第一性原理研究
晶界(gb)偏析可以显著改变力学性能，要通过控制gb来调控性能，需要了解添加不同元素对偏析行为影响。磷虽然对强度、机加工性能和耐蚀性有一定的影响，但长期以来被认为是钢材脆化的原因之一。相比之下，碳和硼在铁素体钢中以其gb强化效果而闻名。实验发现b和c可以减轻p引起的脆性，脆性减弱归因于强化合金元素的内在作用或由它们引起的p偏析减少。b/c和p的排斥作用和点位竞争被认为是抑制p偏析的原因。虽然精确的晶格点位和原子相互作用很难通过实验验证，但可以通过第一原理计算获得。基于rice-wang模型，可用溶质原子与相应自由表面(fs)之间的偏析能差来评估gb。利用这一概念的第一性原理计算可以正确预测溶质原子的强化/脆化效应。已有学者开展了类似研究，但这些研究都没能解释一定量的p不引起脆性的现象，也没有考虑b/c和p之间的相互作用。 北京科技大学的研究人员基于rice-wang模型，对磷、硼、碳元素分别和共同在晶界偏析对晶界粘聚力的影响进行了比较，并对其相互作用进行了计算。相关论文以题为“first-principles study on the p-induced embrittlement and de-embrittling effect of b and c in ferritic steels”发表在acta materialia。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117260
研究发现间隙b和c显示出比间隙p更强的偏析倾向，这解释了实验观察到的通过添加b和c降低p偏析的原因。间隙偏析位置对b、c和p在能量上比置换位置更有利。磷对gb粘聚力的影响具有浓度和点位依赖性。在低浓度下。p原子倾向于位于间隙位置，这对gb粘聚力影响不大。当处于临界集中状态的时，所有的间隙都被消耗掉，它们开始占据置换点位，并对gb粘聚力产生不利影响。这解释了磷只在一定浓度范围内才会引起明显脆化的实验观察结果。
图1 晶界处溶质-溶质相互作用能计算示意图
图2 p原子加入前后晶界结构变化
图3 b原子取代fe原子后的晶界结构
图4 p偏析晶界电荷密度差
图5 间隙偏析在晶界、低能量表面、高能量表面的原子结构
图6 置换分离在晶界、低能量表面、高能量表面的原子结构
本文系统地研究了b、c、p对铁素体钢中gb粘聚力的影响以及b、c对p致脆的脱脆作用。间隙b和c均具有增强作用，特别是b在极低浓度下仍能显著增强gb粘聚力。与p类似，当置换b原子起作用时，gb粘聚力也会降低，但由于预偏析间隙b的强烈强化作用，b在高浓度时的整体效果仍是有利的。gb粘聚力是由晶格畸变和断裂时的化学结合变化决定的。间隙b和c的强化作用主要归因于gb处的fe-b/c化学作用，而强烈的晶格畸变是置换p引起脆性的主要原因。用b或c代替间隙p可以缓解间隙p的强烈变形，并在一定程度上恢复gb粘聚力。本文基于rice-wang模型，提出了一种基于晶体轨道哈密尔顿群积分(icohp)概念的方法来量化断裂时化学键的变化，本文对理解钢材中磷致脆性并进行改善有重要意义。
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论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117260
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图6 置换分离在晶界、低能量表面、高能量表面的原子结构
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