Acta Mater.：第一性原理计算助力溶质原子在Al合金晶界偏聚的研究

【引言】

对于多晶材料而言，晶界是最主要的二维缺陷。由于晶界处的能量较基体的高，基体中的溶质原子容易在晶界处发生偏聚。溶质原子的偏聚对晶界的主要影响：溶质原子本身以及形成的第二相对晶界具有钉扎作用，使晶粒难以粗化，从而提升材料的力学性能；溶质原子的偏聚改变了晶界的结合强度，使得晶界变强或变脆，从而提高或降低材料的塑性。目前对溶质原子的偏聚的第一性原理计算研究多数缺乏深度（大多数研究选定偏聚的驱动力、偏聚后的晶界特征、相的稳定性等内容中的一种进行研究）和广度（大多数研究选定一种溶质原子对多种晶界或多种溶质原子对一种晶界的形式进行研究），故溶质原子的偏聚的第一性原理计算亟待完善。

【成果简介】

近日，来自澳大利亚南澳大学的Reza Mahjoub（通讯作者）等人通过第一性原理计算方法研究了28种溶质原子在铝合金的12种常见的对称倾斜晶界上偏聚的驱动力，相的稳定性以及偏聚后晶界的变化，并从应变能、键能和电荷分布的角度解释了各溶质原子在不同晶界上偏聚能和脆化能的变化规律，对设计合金成分以及调控晶界结构具有指导作用，相关成果以题为“General trends between solute segregation tendency and grain boundary character in aluminum - an ab inito study”在Acta Mater.上发表。

【图文导读】

图1：各溶质原子在12个对称倾斜晶界上的偏聚能

同种溶质原子在12个对称倾斜晶界上的偏聚能的平均值用符号×表示，不同颜色的小方块代表同种溶质原子在不同对称倾斜晶界上的偏聚能；溶质原子的偏聚能越小，溶质原子越容易在晶界上偏聚。

图2：各溶质原子在十二个对称倾斜晶界上脆化能

同种溶质原子在12个对称倾斜晶界上的脆化能的平均值用符号×表示，不同颜色的小方块代表同种溶质原子在不同对称倾斜晶界上的脆化能；溶质原子的脆化能越大，偏聚后晶界的凝聚力越小，即晶界越“脆”。

图3：在Σ5[001](210)晶界上各溶质原子的Voronoi胞体积

Voronoi胞体积越小代表溶质原子偏聚所产生的应变能越小，则该溶质原子越容易偏聚。

图4：在Σ5[001](210)晶界上Al-溶质原子对的<-iCOHP> 值和各溶质原子的偏聚能（a）-（b）各种Al-溶质原子对的<-iCOHP> 值。<-iCOHP> 值代表结合力大小，值越大代表Al-溶质原子对结合力越强，该溶质原子越容易偏聚；（c）-（e）为各溶质原子在Σ5[001](210)晶界上的偏聚能。

图5：Mg, Sn, Ni, Cu和Pd 在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界处电荷分布（a）Mg在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界处的电荷分布；（b）Sn在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界处的电荷分布；（c）Ni在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界处的电荷分布；（d）Cu在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界处的电荷分布；（e）Pd在Σ5[001](210)晶界上偏聚后晶界处的电荷分布。蓝球代表Al原子，棕球代表溶质原子，黄色代表原子间的电荷分布。

图6：各溶质原子偏聚后晶界上Al-Al对的-ICOHP值和各溶质原子脆化能（a）-（b）各溶质原子偏聚后晶界上Al-Al对的-ICOHP值。Al-Al的-ICOHP值越小，Al-Al结合力越小，则晶界的结合力越小，即晶界越“脆”；（c）-（e）为各溶质原子在Σ5[001](210)晶界上的脆化能。

图7：各溶质原子在十二个对称倾斜晶界上偏聚时溶质原子的偏聚能和稳定性分布图以及第三、四周期的过渡金属元素在Al中形成的第二相的形成能（a）-（d）溶质原子的偏聚能和稳定性分布图。当偏聚能能够补偿偏聚前后晶界的能量差值以及二元化合物的形成能时，溶质原子在晶界上偏聚稳定；当偏聚能能够补偿偏聚前后晶界的能量差值但不能补偿二元化合物的形成能时，溶质原子处于亚稳态；当偏聚能不能够补偿偏聚前后晶界的能量差值时，溶质原子处于不稳态；（e）-（f）为第三、四周期过渡金属元素与Al形成的二元化合物的形成能。

图8:各溶质原子在对称倾斜晶界上偏聚时，处于稳态、亚稳态和不稳态晶界的重量分数【小结】

研究人员利用第一性原理计算获得了28种元素在铝合金的12种对称倾斜晶界上偏聚能和脆化能。为了进一步研究偏聚能与脆化能变化规律，研究人员选择Σ5[001](210)晶界作为研究对象，从应变能（Voronoi胞体积大小）以及Al-溶质原子键强（<-iCOHP> 值）角度解释了溶质原子偏聚能大小的变化规律，从电荷分布以及Al-Al键强（-ICOHP值）的角度解释了溶质原子对晶界强度的影响。最后研究人员通过计算和设定判据得到了溶质原子偏聚后的溶质原子和晶界的状态分布图，为设计性能优异的合金提供了理论参考。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部刘冠华供稿，材料牛整理编辑。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu。