Solute Segregation to Grain Boundaries in Al: A First-Principles Evaluation

材料科学 晶界 空位缺陷 微晶 韧性 工作(物理) 结合能 极限抗拉强度 结晶学 冶金 热力学 微观结构 原子物理学 化学 物理
作者
Jiawei Tang,Yiren Wang,Yong Jiang,Jian-Gang Yao,Hao Zhang
出处
期刊:Acta Metallurgica Sinica (english Letters) [Springer Science+Business Media]
卷期号:35 (9): 1572-1582 被引量:12
标识
DOI:10.1007/s40195-022-01383-w
摘要

Solute-induced grain boundary (GB) strengthening is effective in improving the toughness and tensile strength of polycrystalline alloys. In this work, GB segregation behaviors of solute elements in Al alloys and their potential effects on GB binding have been systematically investigated from first-principles energetics. The low-energy Σ3(111) and Σ11(113) are immune to vacancy segregation, while high-energy Al GBs, such as Σ13(320), Σ9(221), Σ5(210), and Σ5(310), can attract both vacancies and solutes. Under-sized elements (Ni, Fe, Co, Cu) and similar-sized elements (Si, Zn, Ag, and Ti) prefer interstitial or vacancy sites at the GB interface, while over-sized elements (Mg, Zr, Sc, Er) tend to substitute Al or vacancy-neighboring sites at the GB interface. Segregated vacancies weaken GBs. Under-sized Ni, Co, Cu, similar-sized Ti, and over-sized Zr, Er, can directly enhance Al GBs, while similar-sized Ag and over-sized Mg reduce the GB binding strength. Solute strengthening or weakening effects tend to be always mitigated, more or less, by GB-segregated vacancies.
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