碳原子界面偏聚行为研究：晶界与相界竞争机制及其对中锰钢微观结构的影响

本研究针对中锰钢两相组织中碳(C)原子在晶界(GB)与相界(PB)的竞争性偏聚问题，通过热处理实验与密度泛函理论(DFT)计算，揭示半共格α-γ Kurdjumov-Sachs(KS)相界比γ晶界更抑制C偏聚的规律，发现γ晶界在交界处会优先捕获C原子。该成果为调控多相合金界面化学提供理论依据，发表于《Scripta Materialia》。

　　

研究背景
在高端装备制造领域，中锰钢因其优异的强塑性组合成为新一代汽车用钢的候选材料。这类钢的典型特征是由铁素体(α)和奥氏体(γ)组成的层状微观结构，其性能高度依赖界面处的元素分布。碳原子作为关键的间隙元素，其在晶界(grain boundary, GB)和相界(phase boundary, PB)的偏聚行为会显著影响材料的力学性能和腐蚀抗力。然而，当晶界与相界在微观结构中并存时，碳原子究竟会优先选择哪类界面偏聚？这一基础科学问题长期缺乏系统研究，制约着通过界面工程优化材料性能的精准调控。

为解决这一问题，来自中国的科研团队联合国际合作伙伴，在《Scripta Materialia》发表了关于碳原子在α/γ多相体系中界面偏聚竞争机制的研究。他们发现：在层状α-γ组织中，半共格的Kurdjumov-Sachs(KS)相界比随机取向的γ晶界更不易富集碳原子；更引人注目的是，当γ晶界与α/γ相界交汇时，前者会像"磁铁"一样将碳原子从相邻相界中"吸走"。这一发现为理解多相合金中溶质原子的界面分配规律提供了新视角。

关键技术方法
研究采用中锰钢模型材料，通过不同温度的热处理构建具有典型层状结构的α-γ组织。利用原子探针层析技术(APT)定量表征碳原子在各类界面的三维分布，结合透射电子显微镜(TEM)确定界面晶体学特征。通过密度泛函理论(DFT)计算比较碳在γ晶界和α/γ相界的偏聚能差异。

研究结果

1. 界面特征与碳偏聚相关性
   APT分析显示，随机取向的γ晶界碳浓度比KS相界高约3倍，表明晶体学有序度更高的半共格相界能有效抑制碳偏聚。

2. 界面交汇处的竞争机制
   在三叉晶界处，γ晶界从相邻α/γ相界"夺取"碳原子，形成明显的浓度梯度，TEM观测证实这种效应与界面位错结构密切相关。

3. DFT能量学分析
   计算证实碳在γ晶界的偏聚能(-0.78 eV)显著低于α/γ相界(-0.35 eV)，从热力学角度解释了实验观察到的竞争现象。

结论与意义
该研究首次阐明了多相合金中不同类型界面间溶质原子的竞争分配规律，证明晶界在热力学上始终是碳原子的"优选栖息地"。这一发现对发展新型界面工程策略具有重要指导价值：通过调控相界/晶界比例和空间分布，可实现碳原子的定向输运与局域富集，为开发具有定制化性能的中锰钢材料提供理论支撑。研究建立的实验-计算联用方法学框架，也可推广至其他多相合金体系的界面化学研究。