硼触发钢铁晶界结构转变：原子尺度揭示ppm级掺杂的强韧化机制

研究团队通过可控几何取向晶界合成与原子尺度表征技术（HAADF-STEM/DPC-4DSTEM），揭示了ppm级硼掺杂引发体心立方铁Σ13[001]晶界（GB）从扁平三棱柱向锯齿状结构的相变，结合缺陷相图（DPD）计算证实该转变可提升晶界内聚力达2.4倍，为设计抗氢脆/腐蚀钢材提供理论基石。

　　

钢铁作为年消耗量达18亿吨的基础材料，其性能提升始终是材料科学的核心挑战。其中ppm级（百万分之一）硼掺杂能显著改善钢材淬透性和低温脆性，但原子尺度机制长期悬而未决。传统理论认为硼通过晶界（Grain Boundary, GB）偏聚增强内聚力，但因晶界五自由度（3个晶粒取向+2个相邻晶面）的结构复杂性，实验验证始终面临巨大挑战。

德国马普钢铁研究所（Max-Planck-Institut für Eisenforschung, MPIE）的Xuyang Zhou等研究人员在《Nature Communications》发表突破性研究，通过设计Σ13[001]对称倾转晶界模型体系，结合差分相位衬度-四维扫描透射电镜（DPC-4DSTEM）和原位加热实验，首次直接观测到硼诱导的晶界结构相变。研究发现当硼化学势Δμ_B≈-2.12 eV（对应体心立方铁中溶解度≈10^-13）时，晶界三棱柱原子基元（atomic motifs）发生110°旋转形成锯齿状排列，同时应变场降低55%，Fe-B键相互作用增强5%。缺陷相图揭示该转变属于一级相变，与碳掺杂仅引起畸变的行为形成鲜明对比。

关键技术方法包括：1）采用双晶MgO基底外延生长可控取向的BCC铁薄膜；2）通过DPC-4DSTEM实现硼/碳原子柱的直接成像；3）结合原子探针层析（APT）和电子能量损失谱（EELS）解析化学偏聚；4）构建考虑碳硼竞争的缺陷相图（DPD）；5）开展20-800℃原位透射电镜追踪结构演化。

主要研究结果：
硼触发铁Σ13[001]晶界结构转变
高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）显示，未掺杂晶界保持扁平三棱柱构型（图1a），而硼掺杂后转变为锯齿状排列（图1b）。DPC-4DSTEM直接观察到硼占据三棱柱间隙位点（图2f），其重构电荷密度图分辨率达0.7 nm²。

晶界化学特征
APT测得硼在晶界的局部浓度达1.4 at%，界面过剩值4.8 atoms/nm²（图2b）。EELS证实硼-碳共偏聚，且硼K边能量位移表明其氧化态增强（图2c）。

缺陷相图理论预测
第一性原理计算构建的DPD显示（图3），硼在Δμ_B≈-2.12 eV触发2B结构相变，而碳即使达到体溶解度极限（1.6×10^-2）仍仅引起畸变。碳存在会使硼相变化学势降低0.55 eV（图3c）。

性能调控机制
应变图谱分析表明（图4a），硼掺杂使〈110〉晶向应变降低55%。键合分析显示4B结构的Fe-B键总相互作用能（-8.15 eV）较1B结构提升5%，晶界脆化能（embrittlement energy）达-2.02 eV，较未转变结构增强2.4倍（图4d）。

该研究首次建立溶质化学-晶界结构-力学性能的定量关系，证实ppm级硼即可通过改变缺陷相态提升材料性能。锯齿状三棱柱构型能有效缓解晶界应变，为开发抗氢脆钢材提供新思路。德国马普所所长Dierk Raabe指出，该方法可拓展至其他合金体系，实现界面工程的精准设计。研究团队正在探索该机制在高温合金和核材料中的应用潜力。