《Acta Mater》揭示磷致晶界脆化及碳、硼缓解脆化的机理

长久以来，磷在晶界上偏聚导致钢铁材料的脆化是一个公认的问题。有研究表明，添加硼或碳元素能缓解磷致晶界脆化，但其机理尚不明确。有学者认为，这是由于碳和硼元素自身具有晶界强化能力，也有学者认为这是由于碳和硼减少了磷的偏聚；而对于第二种观点，文献中又提出两种可能的机制，一是硼和碳元素与磷争夺偏聚位置，二是硼和碳对磷有排斥作用，从而导致磷偏聚的减少。然而，通过实验手段很难证明究竟是哪一种机制在起作用。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心海洋工程用钢团队运用第一性原理计算对该问题进行了研究。该研究基于Rice-Wang模型，对磷、硼、碳元素分别和共同在晶界偏聚对晶界粘聚力（grain boundary cohesion）的影响进行了比较，并对其相互作用进行了计算。结果表明，晶界处的间隙磷原子并不会对晶界造成显著的脆化，但是当磷元素超过某一浓度，开始占据晶界处置换位置时，会引起较大的晶格畸变，从而显著降低晶界粘聚力。磷、碳元素比磷原子更容易占据间隙位置，而当这两种元素存在时，能够减小置换磷原子导致的晶格畸变，从而能够缓解其造成的晶界脆化。同时，计算结果表明，硼和碳对磷的排斥作用并不比磷原子自身之间的排斥作用更强，因而推测其不是减少磷偏聚的主要机制。

该项研究成果于2021年10月15日以“First-principles study on the P-induced embrittlement and de-embrittling effect of B and C in ferritic steels”为题发表在Acta Materialia，对认清钢铁材料中磷致氢脆的原理并进行改善具有指导意义。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117260