偏聚元素影响金属晶界脆化的微观机制

偏聚在晶界的杂质或合金元素可能会加剧或降低晶界的脆化，这种效应是影响很多金属材料，特别是钢铁材料的韧性和延展性的一个重要因素。因此研究晶界脆化的微观机制对于改善金属材料的性能具有广阔的应用前景和实用价值。最近，笔者与美国西北大学的Freeman和Olson合作，依据Rice-Wang模型，建立了一个基于量子力学第一原理计算的唯象理论。该理论以替代位偏聚原子和基体各自的物性以及由第一原理计算得出的偏聚前的晶界的几何构型为参数，可相当准确地给出替代位偏聚原子在晶界和自由表面的自由能差值，从而预言偏聚杂质对晶界脆化的影响。目前该理论只适用于替代位偏聚金属原子。我们计划通过对不同偏聚元素在铁、镍材料中的系统的第一原理计算的结果进行归纳和总结，把这个唯象理论推广到非金属原子偏聚和间隙位偏聚的情况，并争取能够处理更为复杂的共偏聚效应和磁性效应。