Инженерия сегрегации на границах зерен в металлических сплавах на атомном уровне

В этом докладе обсуждается парадигма инженерии сегрегации в металлических сплавах, которая переосмысливает сегрегацию растворенных примесей в дефектах кристаллической решетки, превращая ее из неизбежного металлургического побочного продукта в целенаправленный инструмент проектирования сплавов на атомном уровне. Этот подход, называемый инженерией сегрегации на границах зерен (GBSE), позволяет манипулировать структурой, энергией, составом и когезией межфазной границы для достижения целевых макроскопических свойств материала. Вместо того чтобы рассматривать сегрегацию как вредный эффект, который необходимо смягчить, GBSE использует ее для целенаправленного изменения термодинамических и кинетических свойств межфазных границ. Термодинамическая основа GBSE определяется минимизацией свободной энергии Гиббса, описываемой изотермой адсорбции Гиббса. Эта концепция различает равновесную сегрегацию, обусловленную внутренним уменьшением межфазной энергии, и неравновесную сегрегацию, возникающую в результате конденсации пересыщенных вакансий и последующей миграции комплексов вакансия-растворенное вещество во время быстрой термической обработки. Для реализации требуется оценка 4 критических параметров: коэффициента сегрегации растворенного вещества, его влияния на когезию и подвижность межфазной границы, кинетики объемной диффузии и энергий образования конкурирующих объемных фаз или межфазных комплексов. В работе используется коррелятивная характеризация на околоатомном уровне, сочетающая атомно-зондовую томографию (АЗТ) с просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопией (СЭМ). Для извлечения границ зерен для АЗТ используется специфическая подготовка образцов. Эта комбинация обеспечивает трехмерное субнанометровое химическое картирование границ зерен, фазовых границ и дислокационных массивов. Эти наблюдения интерпретируются с помощью расчетов DFT, моделирования молекулярной динамики и фазово-полевого моделирования для установления взаимосвязи структуры и свойств. Анализ этих явлений основан на изотермах адсорбции Маклина и Гуттмана. Научные механизмы GBSE действуют по двум путям. Первый путь — это косвенный микроструктурный контроль, при котором модификация примесями снижает энергию границ зерен и капиллярные движущие силы, тем самым подавляя подвижность границ зерен и стабилизируя нанокристаллические структуры зерен, предотвращая их укрупнение. Второй путь включает модификацию межфазных свойств. Например, в никелевых суперсплавах и легких сталях сегрегация бора (B) на высокоугловых границах зерен (HAGB) повышает когезию и подавляет межзеренное разрушение. Это улучшает сопротивление ползучести и снижает риск горячего растрескивания при аддитивном производстве. Формирование межфазных комплексов может быть стабилизировано примесями. Сегрегация может инициировать ограниченные фазовые превращения. В мартенситно-стареющих сталях Fe-Mn обогащение марганцем на границах бывших пластинчатых мартенситов стабилизирует обратный аллотриоморфный аустенит, образуя слои аустенита толщиной 5–15 нм между кристаллами мартенсита. Этот путь зарождения, обусловленный упругим снятием напряжений и межфазной сегрегацией, оптимизирует прочность и пластичность. В высокоэнтропийных сплавах (ВЭС) и высокопрочных сталях изменение состава путем модификации границ зерен позволяет преодолеть присущую им хрупкость и охрупчивание жидким металлом. Управление проникновением элементов в стали с покрытием требует понимания того, как двойниковые границы смягчают сегрегацию на симметричных наклонных границах зерен, выступая в качестве альтернативных мест сегрегации, тем самым модулируя зарождение дислокаций и предотвращая катастрофическое межзеренное разрушение. Одним из результатов данной презентации является зависимость сегрегации от кристаллографии границы раздела и взаимодействия нескольких растворенных веществ. В многофазных высокомарганцевых, высокоалюминиевых легких сталях сегрегация очень чувствительна к структуре границы раздела: некогерентные высокоугловые границы зерен и некогерентные границы фаз демонстрируют значительно более высокое обогащение бором, чем низкоугловые границы зерен или полукогерентные границы раздела, что напрямую коррелирует с более высокой межфазной энергией. Кроме того, явления совместной сегрегации определяются локальными химическими взаимодействиями. В то время как B и C демонстрируют привлекательную совместную сегрегацию на границах зерен феррита из-за компенсации деформации несоответствия, они проявляют сильную отталкивающую конкуренцию за позиции в аустените, что приводит к истощению C на высокоугловых границах зерен аустенита. Расчеты ab initio подтверждают, что B обладает более высокой энергией сегрегации, чем C в ГЦК-решетке, что обуславливает конкуренцию за позиции. Кроме того, расчеты из первых принципов в системах Ni показывают, что добавление рения (Re) вызывает вызванную отталкиванием десегрегацию охрупчивающих неметаллических примесей из межзеренных позиций на границах зерен, э...