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。

审核编辑 ：李倩