晶界(GB)偏析可以顯著改變力學性能，要通過控制GB來調控性能，需要了解添加不同元素對偏析行為影響。磷雖然對強度、機加工性能和耐蝕性有一定的影響，但長期以來被認為是鋼材脆化的原因之一。相比之下，碳和硼在鐵素體鋼中以其GB強化效果而聞名。實驗發現B和C可以減輕P引起的脆性，脆性減弱歸因于強化合金元素的內在作用或由它們引起的P偏析減少。B/C和P的排斥作用和點位競爭被認為是抑制P偏析的原因。雖然精確的晶格點位和原子相互作用很難通過實驗驗證，但可以通過第一原理計算獲得。基于Rice-Wang模型，可用溶質原子與相應自由表面(FS)之間的偏析能差來評估GB。利用這一概念的第一性原理計算可以正確預測溶質原子的強化/脆化效應。已有學者開展了類似研究，但這些研究都沒能解釋一定量的P不引起脆性的現象，也沒有考慮B/C和P之間的相互作用。 北京科技大學的研究人員基于Rice-Wang模型，對磷、硼、碳元素分別和共同在晶界偏析對晶界粘聚力的影響進行了比較，并對其相互作用進行了計算。相關論文以題為“First-principles study on the P-induced embrittlement and de-embrittling effect of B and C in ferritic steels”發表在Acta Materialia。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117260

研究發現間隙B和C顯示出比間隙P更強的偏析傾向，這解釋了實驗觀察到的通過添加B和C降低P偏析的原因。間隙偏析位置對B、C和P在能量上比置換位置更有利。磷對GB粘聚力的影響具有濃度和點位依賴性。在低濃度下。P原子傾向于位于間隙位置，這對GB粘聚力影響不大。當處于臨界集中狀態的時，所有的間隙都被消耗掉，它們開始占據置換點位，并對GB粘聚力產生不利影響。這解釋了磷只在一定濃度范圍內才會引起明顯脆化的實驗觀察結果。

圖1 晶界處溶質-溶質相互作用能計算示意圖

圖2 P原子加入前后晶界結構變化

圖3 B原子取代Fe原子后的晶界結構

圖4 P偏析晶界電荷密度差

圖5 間隙偏析在晶界、低能量表面、高能量表面的原子結構

圖6 置換分離在晶界、低能量表面、高能量表面的原子結構

本文系統地研究了B、C、P對鐵素體鋼中GB粘聚力的影響以及B、C對P致脆的脫脆作用。間隙B和C均具有增強作用，特別是B在極低濃度下仍能顯著增強GB粘聚力。與P類似，當置換B原子起作用時，GB粘聚力也會降低，但由于預偏析間隙B的強烈強化作用，B在高濃度時的整體效果仍是有利的。GB粘聚力是由晶格畸變和斷裂時的化學結合變化決定的。間隙B和C的強化作用主要歸因于GB處的Fe-B/C化學作用，而強烈的晶格畸變是置換P引起脆性的主要原因。用B或C代替間隙P可以緩解間隙P的強烈變形，并在一定程度上恢復GB粘聚力。本文基于Rice-Wang模型，提出了一種基于晶體軌道哈密爾頓群積分(ICOHP)概念的方法來量化斷裂時化學鍵的變化，本文對理解鋼材中磷致脆性并進行改善有重要意義。

審核編輯 ：李倩