Acta Mater.：第一性原理計算助力溶質原子在Al合金晶界偏聚的研究

【引言】

對于多晶材料而言，晶界是最主要的二維缺陷。由于晶界處的能量較基體的高，基體中的溶質原子容易在晶界處發生偏聚。溶質原子的偏聚對晶界的主要影響：溶質原子本身以及形成的第二相對晶界具有釘扎作用，使晶粒難以粗化，從而提升材料的力學性能；溶質原子的偏聚改變了晶界的結合強度，使得晶界變強或變脆，從而提高或降低材料的塑性。目前對溶質原子的偏聚的第一性原理計算研究多數缺乏深度（大多數研究選定偏聚的驅動力、偏聚后的晶界特征、相的穩定性等內容中的一種進行研究）和廣度（大多數研究選定一種溶質原子對多種晶界或多種溶質原子對一種晶界的形式進行研究），故溶質原子的偏聚的第一性原理計算亟待完善。

【成果簡介】

近日，來自澳大利亞南澳大學的Reza Mahjoub（通訊作者）等人通過第一性原理計算方法研究了28種溶質原子在鋁合金的12種常見的對稱傾斜晶界上偏聚的驅動力，相的穩定性以及偏聚后晶界的變化，并從應變能、鍵能和電荷分布的角度解釋了各溶質原子在不同晶界上偏聚能和脆化能的變化規律，對設計合金成分以及調控晶界結構具有指導作用，相關成果以題為“General trends between solute segregation tendency and grain boundary character in?aluminum - an ab inito study”在Acta Mater.上發表。

【圖文導讀】

圖1：各溶質原子在12個對稱傾斜晶界上的偏聚能

同種溶質原子在12個對稱傾斜晶界上的偏聚能的平均值用符號×表示，不同顏色的小方塊代表同種溶質原子在不同對稱傾斜晶界上的偏聚能；溶質原子的偏聚能越小，溶質原子越容易在晶界上偏聚。

圖2：各溶質原子在十二個對稱傾斜晶界上脆化能

同種溶質原子在12個對稱傾斜晶界上的脆化能的平均值用符號×表示，不同顏色的小方塊代表同種溶質原子在不同對稱傾斜晶界上的脆化能；溶質原子的脆化能越大，偏聚后晶界的凝聚力越小，即晶界越“脆”。

圖3：在Σ5[001](210)晶界上各溶質原子的Voronoi胞體積

Voronoi胞體積越小代表溶質原子偏聚所產生的應變能越小，則該溶質原子越容易偏聚。

圖4：在Σ5[001](210)晶界上Al-溶質原子對的<-iCOHP> 值和各溶質原子的偏聚能（a）-（b）各種Al-溶質原子對的<-iCOHP>?值。<-iCOHP>?值代表結合力大小，值越大代表Al-溶質原子對結合力越強，該溶質原子越容易偏聚；（c）-（e）為各溶質原子在Σ5[001](210)晶界上的偏聚能。

圖5：Mg, Sn, Ni, Cu和Pd 在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界處電荷分布（a）Mg在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界處的電荷分布；（b）Sn在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界處的電荷分布；（c）Ni在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界處的電荷分布；（d）Cu在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界處的電荷分布；（e）Pd在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界處的電荷分布。藍球代表Al原子，棕球代表溶質原子，黃色代表原子間的電荷分布。

圖6：各溶質原子偏聚后晶界上Al-Al對的-ICOHP值和各溶質原子脆化能（a）-（b）各溶質原子偏聚后晶界上Al-Al對的-ICOHP值。Al-Al的-ICOHP值越小，Al-Al結合力越小，則晶界的結合力越小，即晶界越“脆”；（c）-（e）為各溶質原子在Σ5[001](210)晶界上的脆化能。

圖7：各溶質原子在十二個對稱傾斜晶界上偏聚時溶質原子的偏聚能和穩定性分布圖以及第三、四周期的過渡金屬元素在Al中形成的第二相的形成能（a）-（d）溶質原子的偏聚能和穩定性分布圖。當偏聚能能夠補償偏聚前后晶界的能量差值以及二元化合物的形成能時，溶質原子在晶界上偏聚穩定；當偏聚能能夠補償偏聚前后晶界的能量差值但不能補償二元化合物的形成能時，溶質原子處于亞穩態；當偏聚能不能夠補償偏聚前后晶界的能量差值時，溶質原子處于不穩態；（e）-（f）為第三、四周期過渡金屬元素與Al形成的二元化合物的形成能。

圖8:各溶質原子在對稱傾斜晶界上偏聚時，處于穩態、亞穩態和不穩態晶界的重量分數【小結】

研究人員利用第一性原理計算獲得了28種元素在鋁合金的12種對稱傾斜晶界上偏聚能和脆化能。為了進一步研究偏聚能與脆化能變化規律，研究人員選擇Σ5[001](210)晶界作為研究對象，從應變能（Voronoi胞體積大小）以及Al-溶質原子鍵強（<-iCOHP> 值）角度解釋了溶質原子偏聚能大小的變化規律，從電荷分布以及Al-Al鍵強（-ICOHP值）的角度解釋了溶質原子對晶界強度的影響。最后研究人員通過計算和設定判據得到了溶質原子偏聚后的溶質原子和晶界的狀態分布圖，為設計性能優異的合金提供了理論參考。

文獻鏈接：General trends between solute segregation tendency and grain boundary character in aluminum - an ab inito study，（Acta Materialia，2018，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.07.069）

本文由材料人編輯部劉冠華供稿，材料牛整理編輯。

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