合金化元素对铝Σ5对称倾斜晶界力学性能影响的评估：基于第一性原理的比较研究

《Computational Condensed Matter》：Assessing the role of alloying elements on the mechanical properties of the Σ5 symmetrical tilt grain boundary in aluminum: A comparative first-principles investigation

　　• 对Mg、Si、Cu、Zn、Sc、Zr、Ti、V、Cr、Mn、Y在Al Σ5(210)[001]晶界处的第一性原理密度泛函理论（DFT）对比研究进行了阐述。• Y表现出最强的偏析倾向，而V和Cu被排斥在晶界之外。• Cu和Si引起严重的脆化，而Sc和Nb则提高了延伸率。• V提供了最强的固溶强化效果，Y、Zr、Sc降低了堆垛故障能，促进了孪晶变形。## 引言金属材料的力学性能从根本上取决于溶质原子与晶体缺陷之间的相互作用，尤其是晶界（GBs）和位错[[1], [2], [3], [4], [5]]。晶界作为多晶材料中的固有平面缺陷，在决定强度、延展性和抗断裂性方面起着关键作用。溶质原子在晶界的偏析可以深刻地改变这些性能——要么通过电子结构的改变增强结合力，要么通过结构破坏使晶界脆化[[6], [7], [8]]。因此，理解溶质-缺陷相互作用的微观机制是凝聚态物理和材料科学的核心挑战。从理论角度来看，晶界偏析的热力学及其对力学响应的影响可以在密度泛函理论（DFT）框架内定量描述[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。以往的第一性原理研究已经考察了铝中特定溶质的晶界偏析现象。Tuchinda等人[12]系统研究了各种合金化元素在Al晶界的偏析和脆化倾向。Zhang等人[9,10,13,15]以Σ5 001对称倾斜晶界作为模型系统，研究了B、Zn、Na和Mg对晶界结合力的影响。Yamaguchi等人[14]探索了多氢偏析以理解氢致脆化机制。尽管这些研究提供了有价值的见解，但它们通常专注于孤立的溶质种类或晶界行为的特定方面。对涵盖广泛技术相关合金化元素的全面系统性研究——在统一的理论框架内整合偏析热力学、晶界拉伸响应、溶质诱导的弹性修改和堆垛故障能量——仍然缺乏。在本工作中，我们通过进行系统的第一性原理研究来填补这一空白，研究对象为铝中的十一种合金化元素（Zn、Mg、Cu、Ti、Zr、Sc、Nb、Si、Li、Y和V）。我们选择Σ5 001对称倾斜晶界作为定义明确的模型界面，使之能够与先前的理论工作进行直接比较。我们的方法包括四个互补的组成部分：（i）计算偏析能，以量化晶界占据的热力学驱动力；（ii）模拟溶质偏析晶界的拉伸试验，以评估其对晶界结合力和失效模式的影响；（iii）确定Al??X固溶体的弹性常数和模量，以表征溶质诱导的晶格硬化或软化；以及（iv）评估(111)滑移面上的广义堆垛故障能，包括不稳定堆垛故障能（USFE）、本征堆垛故障能（SFE）、不稳定孪晶能（UTE）和孪晶能（TE），以阐明溶质如何改变位错解离和变形孪晶行为。通过整合这四个互补的计算集——偏析热力学、晶界拉伸响应、固溶体的弹性性质和广义堆垛故障能——我们旨在建立一个连贯的机制框架，将溶质特性（原子尺寸和电子结构）与Al合金中缺陷介导的变形过程联系起来。特别是，我们寻求识别以下相关关系：晶界偏析行为与断裂模式之间的相关性，弹性软化/硬化与SFE修改之间的相关性，以及USFE/SFE比值与从平面滑移向孪晶变形转变之间的相关性。这种多维方法不仅提供了Al-X（X = Zn、Mg、Cu、Ti、Zr、Sc、Nb、Si、Li、Y、V）系统的综合原子尺度数据库，而且为选择合金化元素以实现强度和延展性之间的最佳平衡提供了实用的设计指南。## 章节摘要### Σ5(001)对称倾斜晶界（STGB）的稳定性与力学性能测试选择Σ5 (001)对称倾斜晶界（STGB）作为代表性晶界结构，因为其在再结晶铝合金中经常被观察到。该晶界的原子排列显示在图1(a)中。溶质偏析通过将晶界面（图1(a)中红色线标记处）处的单个Al原子替换为所考虑的十一种合金化元素之一（Zn、Mg、Cu、Ti、Zr、Sc、Nb、Si、Li、Y和V）来模拟。### Σ5 STGB的稳定性不同合金化元素在Al Σ5对称倾斜晶界处的计算偏析能（E_seg）总结于表1中。基于各种合金化元素在Al Σ5对称倾斜晶界处计算的偏析能，溶质偏析的热力学稳定性由原子尺寸失配和电子效应的组合所控制。Y表现出最强的偏析倾向（?1.300 eV），这由其较大的原子半径（180 p.m. vs. Al...）所驱动。### 溶质尺寸、偏析行为与晶格畸变之间的相关性Σ5晶界计算的偏析能显示出对原子尺寸失配的明显依赖性，这是溶质分配的主要热力学驱动力。具有比Al大得多的原子半径的溶质，如Y，表现出强烈的偏析倾向，这与弹性应变释放机制一致，即超大原子优先占据更为开放的晶界位置。这种尺寸驱动的偏析行为进一步得到...的证实。### 结论基于对溶质偏析、晶界拉伸行为、弹性性质和堆垛故障能量的全面第一性原理计算，得出以下四个结论。（1）偏析稳定性由原子尺寸失配控制。大溶质如Y（?1.300 eV）强烈偏析至Σ5晶界以释放弹性应变，而小溶质如V（+0.696 eV）和Cu（+0.144 eV）保留在基体中。Sc和Zr显示出接近中性的偏析能（分别为?0.106 eV和...）。### CRediT作者贡献声明**Wenbo Song：** 调查。 **Yuanchun Huang：** 监督指导。 **Yu Liu：** 概念构思。### 利益冲突声明作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。### 致谢作者感谢中国国防工业技术发展项目（JCKY2024205A007）和山西省重大科技专项（202401050201003）的财政支持。此外，本工作部分得到了中南大学高性能计算中心的支持。Wenbo Song|Yuanchun Huang|Yu Liu