碳磷竞争性偏析对铁合金奥氏体晶粒生长的调控机制研究

本文通过原位高温激光扫描共聚焦显微镜（HT-LSCM）结合第一性原理计算（DFT），系统研究了碳（C）对磷（P）诱导溶质拖曳效应（SDE）的调控作用。研究发现，在Fe-C-P合金中，C通过竞争性占据晶界（GB）位点抑制P的偏析，从而削弱P对奥氏体晶粒生长的阻滞作用，尤其在高温（1250-1350°C）下显著提升晶界迁移率。该研究为多组分钢的晶界工程提供了理论依据。

　　

摘要

研究团队采用原位高温激光扫描共聚焦显微镜（HT-LSCM）和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了碳（C）对磷（P）诱导溶质拖曳效应（SDE）的调控机制。通过分析三种Fe-C-P合金（含0.20 wt.-% C和不同P浓度）在1050-1350°C等温退火过程中的晶粒生长动力学，发现P通过晶界（GB）偏析显著抑制奥氏体晶粒生长，而C的加入通过竞争性占据GB位点削弱了P的偏析效应，尤其在高温下（>1250°C）使晶界迁移率提升达50%。

1 引言

钢铁制造中奥氏体晶粒尺寸控制直接影响材料性能。传统研究多关注单一溶质元素的SDE，而对C、P等多组分竞争性偏析的交互作用认识不足。本研究填补了这一空白，首次通过实验与模拟结合阐明C-P竞争对GB迁移的调控规律。

2 材料与方法

2.1 材料制备

采用高频重熔技术制备Fe-C-P合金（P: 0.057-0.158 wt.-%），通过光学发射光谱（OES）验证成分。热力学计算证实实验温度范围内AlN和(Mn,Fe)S析出相的影响可忽略。

2.2 HT-LSCM实验

在Ar保护气氛下进行等温退火，实时记录晶粒演化。结合数字显微镜（DM）外部分析提升统计可靠性，采用线性截距法（LIM）量化晶粒尺寸。

2.3 DFT计算

选用VASP软件包，基于PBE泛函计算Σ13(320)[001] GB的偏析能。双层层状反铁磁排序模拟顺磁态奥氏体，能量收敛标准为10^-7 eV。

3 晶粒生长模型

基于Burke-Turnbull模型，引入Cahn溶质拖曳压力项：

v = M_GB·(P_driving - P_SDE)

其中SDE压力P_SDE = α·c_P·v/(1+β·v²)，α参数包含P结合能E₀。通过拟合实验数据提取有效晶界迁移率M_eff。

4 结果

4.1 实验验证

HT-LSCM与DM数据高度吻合（如1250°C下晶粒尺寸误差<2%），验证了方法的可靠性。

4.2 晶粒生长动力学

P含量增加使最终晶粒尺寸减小：在1050°C下，Fe-C-0.158P的晶粒尺寸（44 μm）比高纯Fe小51%。高温下（1350°C），C的竞争效应使Fe-C-P合金晶粒尺寸比Fe-P合金大20-30%。

4.3 DFT计算结果

S在GB的偏析能最强（-1.2 eV），P次之（-0.9 eV），C最弱（-0.3 eV）。关键发现：当C占据GB位点I₁时，P在相邻位点的偏析能转为正值（排斥作用）。

5 讨论

温度依赖性竞争机制：

• •

  低温（≤1150°C）：P主导GB偏析，C影响微弱

• •

  高温（≥1250°C）：C凭借较高体浓度（0.2 wt.-%）和快速扩散，取代P位点，使P结合能从-0.67 eV（Fe-P）升至-0.55 eV（Fe-C-P）

该现象与Militzer-Wieting模型预测一致：高温下弱结合但高浓度溶质（C）可超越强结合低浓度溶质（P）的偏析优势。

6 结论

1. 1.

   C通过竞争GB位点削弱P-induced SDE，效应随温度升高而增强

2. 2.

   在1350°C时，0.2 wt.-% C使P表观结合能降低0.5 eV

3. 3.

   DFT揭示C-P在GB位点的排斥作用是微观机制核心

   研究为开发高温晶粒细化工艺提供了定量理论框架。