Ni 偏析行为对纳米晶 FeCrNi 合金力学性能与变形机制的影响

《Solid State Communications》：Effect of Ni segregation behavior on mechanical properties and deformation mechanisms of nanocrystalline FeCrNi alloy

　　

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  揭示了镍偏析对力学性能的非单调调控机制。识别出最优的晶界镍偏析浓度（4%），在此浓度下材料实现了强度与韧性之间的最佳平衡。过量偏析（10%）会导致晶界脆化，从而使屈服强度和弹性模量均降低。
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  建立了变形机制的完整原子尺度图像。在变形过程中，塑性变形主要由1/6<112> Shockley不全位错的滑移控制，并伴随本征层错（ISF）和反相层错（ESF）的演变与交互作用。这清楚地展示了低层错能合金中复杂层错结构的逐步构建过程。
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  阐明了镍偏析稳定晶界并抑制逆霍尔-佩奇效应的物理本质。镍偏析有效地钉扎晶界并抑制其迁移，从而抑制了小晶粒尺寸下的软化行为。同时，适度的偏析促进了洛默-科特雷尔（L-C）锁的形成，增强了位错阻力并提高了强度。
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  提出了一种"晶界滑动-晶内变形协同耦合"的强韧化策略。在适度偏析条件下，晶界滑动与晶内位错活动可以协同进行，有效缓解应力集中并避免过早失效，从而克服了纳米晶合金中常见的强度-延性权衡。
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  确定了Fe₆₀Cr₃₀Ni₁₀作为平衡成本与性能的优选模型成分。通过降低镍含量（用铬替代）同时保持相对较高的层错能和强度，并通过晶界偏析工程进一步补偿强度损失，该成分为工业合金设计提供了一种经济可行的解决方案。

引言

纳米晶金属材料由于极高的晶界密度和显著的晶界强化效应，其强度和硬度远超传统粗晶材料[1,2]。然而，虽然高密度晶界提供了强化效果，但往往导致塑性变形能力的急剧下降，这构成了纳米晶材料工程应用的主要瓶颈[3,4]。FeCrNi基合金作为核反应堆结构部件和耐热/耐腐蚀零件的重要候选材料，理解其纳米晶形式的力学行为尤为重要[[5], [6], [7], [8], [9]]。在纳米晶合金中，晶界的成分偏析已通过实验和计算得到证实，其中镍原子的偏析行为可能会深刻影响合金的微观组织演变和宏观力学响应[[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。

作为FeCrNi合金中的主要固溶强化元素之一，镍的原子尺寸与铁和铬不同。其在晶界的偏析可以改变晶界的化学成分、原子排列和过剩自由体积。一方面，这种偏析行为可以降低晶界能、抑制晶粒生长，并增强纳米晶结构的热稳定性[16,17]。另一方面，偏析层可以调节晶界处的局部应力场和初始塑性变形机制，例如促进晶界滑动、晶粒旋转或抑制裂纹萌生[[18], [19], [20]]。然而，镍偏析对纳米晶FeCrNi合金力学性能的影响并非简单的强化或弱化效应，而是取决于偏析程度、晶粒尺寸、变形温度和应变率的耦合效应。现有研究表明，适度的偏析可以协同增强强度和延性，而过量的偏析可能诱发晶界脆化或异常晶粒生长[21[22], [23], [24]]。

鉴于上述背景，系统地揭示镍偏析行为对纳米晶FeCrNi合金力学性能和变形机制的影响，对于优化此类合金的微观组织设计和克服强度-延性权衡具有重要的理论意义和工程价值。本研究结合分子动力学模拟与微观组织表征，系统地研究了具有不同镍偏析浓度的纳米晶FeCrNi模型合金在单向拉伸和循环载荷下的力学响应。旨在阐明偏析诱导的晶界结构演变与塑性载体转变之间的关系，从而为高性能纳米晶FeCrNi合金的制备和性能调控提供理论依据。

章节摘要

建模与计算方法

本研究采用Atomsk[25]中实现的沃罗诺伊方法构建尺寸为150 × 150 × 150 ?³的多晶模型。考虑到实际生产中的耐腐蚀性、塑性和成本约束，选择Fe₆₀Cr₃₀Ni₁₀合金作为模型成分。该模型由9个等轴晶粒组成，晶粒尺寸分布相对均匀，平均晶粒直径确定为8.95 nm。随后，构建镍溶质偏析模型

结论

本研究探讨了晶界镍原子偏析对不同镍含量多晶FeCrNi合金强度和变形机制的影响。通过分析拉伸变形过程中原子分布、晶界形貌和位错演变，从原子角度阐明了不同偏析结构对变形机制的影响。得出以下结论：

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  增加镍含量

CRediT作者贡献声明

石鑫刚：撰写——初稿，可视化，软件，概念化。薛洪涛：调查，正式分析，数据管理。任俊强：监督，调查，概念化。李远东：验证，正式分析。郭鑫：监督，方法学，概念化。卢学锋：监督，资源，项目管理，经费获取。

资助声明

本研究受甘肃省科技项目（26JRRA037, 25JRRA803）资助。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢兰州理工大学计算（数字）材料研究所在本研究工作中提供的技术支持和有意义的讨论。

石鑫刚|薛洪涛|任俊强|李远东|郭鑫|卢学锋