Влияние легирующих примесей (Si, Mn, Cr, C) на зернограничную сегрегацию P в α-железе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Впервые были проведены расчеты из первых принципов для систематического исследования влияния легирующих элементов (Cr, Mn, Si, C, Р) на зернограничную сегрегацию фосфора в ферромагнитном α-Fe и ее зависимость от характера границ зерен. Энергии сегрегации каждого элемента и участка были полноценно рассчитаны для двух специальных границ зерен типа Σ3(111) и Σ5(310). Было изучено влияние типа границ зерен на процесс сегрегации легирующих элементов. Была проведена оценка эффективной энергии сегрегации для каждой модели границы и выполнен анализ распределения легирующих элементов на различных узлах границы. Показано, что энергия сегрегации рассмотренных элементов определяется объемом Вороного узла Fe в месте сегрегации. Рассчитаны энергии сегрегации различных пар примесей на границе. Изучено влияние примесей замещения на изменение энергии сегрегации атомов фосфора в узлах внедрения и замещения, а также влияние атома фосфора на изменение энергии сегрегации примесей на различных узлах границы. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными. Результаты, полученные в этом исследовании, предоставляют важные базовые данные для проектирования высокопрочных сталей и полезны для понимания влияния легирующих элементов на ОЦК-Fe.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Верховых

Южно-Уральский государственный университет (НИУ)

Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080

А. А. Мирзоев

Южно-Уральский государственный университет (НИУ)

Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080

Н. С. Дюрягина

Южно-Уральский государственный университет (НИУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080

Список литературы

  1. Seah M.P. Adsorption-induced interface decohesion // Acta Metal. 1980. V. 28. № 7. P. 955–962.
  2. Lejček P., Mojm’ır S., Vaclav P. Interfacial segregation and grain boundary embrittlement: An overview and critical assessment of experimental data and calculated results // Progress in Mater. Sci. 2017. V. 87. P. 83–139.
  3. Cantwell P.R., Frolov T., Rupert T.J., Krause A.R., Marvel Ch.J., Rohrer G.S., Rickman J.M., Harmer M.P. Grain boundary complexion transitions // Annual Rev. Mater. Research. 2020. V. 50. P. 465–492.
  4. Erhart H., Grabke H.-J. Equilibrium segregation of phosphorus at grain boundaries of Fe–P, Fe–C–P, Fe–Cr–P, and Fe–Cr–C–P alloys // Metal Sci. 1981. V. 15. № 9. P. 401–408.
  5. Lejček P. Grain boundary segregation in metals // Springer Science & Business Media. 2010. V. 136. 239 р.
  6. Pierron-Bohnes V., Kentzinger E., Cadeville M.C., Sanchez J.M., Caudron R., Solal F., & Kozubski R. Experimental determination of pair interactions in aFe0.804V0.196 single crystal // Phys. Rev. B. 1995. V. 51(9). P. 5760–5767.
  7. Chojcan J. Interactions between impurity atoms of 3d transition metals dissolved in iron // J. Alloys Comp. 1998. V. 264(1–2). P. 50–53.
  8. Gorbatov O.I., Okatov S.V., Gornostyrev Y.N., Korzhavyi P.A., Ruban A.V. Effect of magnetism on the solubility of 3d elements in BCC iron: Results of first-principle investigations // Phys. Met. Metal. 2013. V. 114. P. 642–653.
  9. Gorbatov O.I., Delandar A.H., Gornostyrev Yu.N., Ruban A.V., Korzhavyi P.A. First-principles study of interactions between substitutional solutes in bcc iron // J. Nuclear Mater. 2016. V. 475. P. 140–148.
  10. Wachowicz E., Kiejna A. Effect of impurities on structural, cohesive and magnetic properties of grain boundaries in α-Fe // Model. Simulation in Mater. Sci. Eng. 2011. V. 19. № 2. P. 025001.
  11. Yamaguchi M., Nishiyama Y., Kaburaki H. Decohesion of iron grain boundaries by sulfur or phosphorous segregation: First-principles calculations // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. № 3. P. 035418.
  12. Wachowicz E., Kiejna A. Effect of impurities on grain boundary cohesion in bcc iron // Comp. Mater. Sci. 2008. V. 43. P. 736–743.
  13. Wu R., Freeman A.J., Olson G.B. Nature of phosphorus embrittlement of the Fe ∑3[110](111) grain boundary // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 75–81.
  14. Lejček P., Vsiansk’a M., Sob M. Recent trends and open questions in grain boundary segregation // J. Mater. Research. 2018. V. 33. № 18. P. 2647–2660.
  15. Preece A., Carter R.D. Temper-brittleness in high-purity iron-base alloys // J. Iron Steel Inst. 1953. V. 173. № 4. P. 387.
  16. Guttmann M. Equilibrium segregation in a ternary solution: A model for temper embrittlement // Surface Sci. 1975. V. 53. № 1. P. 213–227.
  17. Pereloma E.V., Timokhina I.B., Nosenkov A.I., Jonas J.J. Role of Cr and P additions in the development of microstructure // Metalurgija. 2004. V. 43. № 3. P. 149–154.
  18. Bhadeshia H.K.D.H., Suh D.-W. Is low phosphorus content in steel a product requirement? // Ironmaking & Steelmaking. 2015. V. 42. № 4. P. 259–267.
  19. Tian Z.X., Yan J.X., Hao W., Xiao W. Effect of alloying additions on the hydrogen-induced grain boundary embrittlement in iron // J. Phys.: Condensed Matter. 2011. V. 23. P. 015501.
  20. Matsumoto R., Riku M., Taketomi S., Miyazaki N. Hydrogen-grain boundary interaction in Fe, Fe–C, and Fe–N systems // Progress in Nucl. Sci. Techn. 2010. V. 2. P. 9–15.
  21. Momida H., Asari Y., Nakamura Y., Tateyama Y., Ohno T. Hydrogen-enhanced vacancy embrittlement of grain boundaries in iron // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 144107.
  22. Zhong L., Wu R., Freeman A.J., Olson G.B. Charge transfer mechanism of hydrogen-induced intergranular embrittlement of iron // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 13938–13941.
  23. Gesari S.B., Pronsato M.E., Juan A. The electronic structure and bonding of h pairs at ∑= 5 bcc Fe grain boundary // Appl. Surface Sci. 2002. V. 187. № 3–4. P. 207–217.
  24. Sutton A.P., Balluffi R.W. Interfaces in Crystalline Materials. Clarendon press, Oxford, 1995.
  25. Mirzaev D.A., Mirzoev A.A., Okishev K. Yu., Verkhovykh A.V. Ab initio modelling of the interaction of h interstitials with grain boundaries in bcc Fe // Molecular Phys. 2016. V. 114. № 9. P. 1502–1512.
  26. Gao N., Fu Ch.-Ch., Samaras M., Schäublin R., Victoria M., Hoffelner W. Multiscale modelling of bi-crystal grain boundaries in bcc iron // J. Nucl. Mater. 2009. V. 385. № 2. P. 262–267.
  27. Kulkov S.S., Bakulin A.V., Kulkova S.E. Effect of boron on the hydrogen-induced grain boundaryembrittlement in α-Fe // Intern. J. Hydrogen Energ. 2018. V. 43. № 3. P. 1909–1925.
  28. Wang J., Enomoto M., Shang Ch. First-principles study on the p-induced embrittlement and de-embrittling effect of b and c in ferritic steels // Acta Mater. 2021. V. 219. P. 117260.
  29. Yamaguchi M. First-Principles Study on the Grain Boundary Embrittlement of Metals by Solute Segregation: Part I. Iron (Fe)-Solute (B, C, P, and S) Systems // Metal. Mater. Transactions A. 2011. V. 42. P. 319–329.
  30. Wachowicz E., Ossowski T., Kiejna A. Cohesive and magnetic properties of grain boundaries in bcc Fe with Cr additions // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 094104.
  31. Van Vlack L.H. Intergranular energy of iron and some iron alloys // Transactions. American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers. 1951. V. 191. P. 251.
  32. Roth T.A. The surface and grain boundary energies of iron, cobalt and nickel // Mater. Sci. Eng. 1975. V. 18. P. 183–192.
  33. Эмсли Дж. Элементы: Пер. с англ. М.: Мир, 1993. 256 с.
  34. Wang J., Janisch R., Madsen G.K.H., Drautz R. First-principles study of carbon segregation in bcc iron symmetrical tilt grain boundaries // Acta Mater. 2016. V. 115. P. 259–268.
  35. Ludsteck A. Bestimmung der˚anderung der gitterkonstanten und des anisotropen debye–waller-faktors von graphit mittels neutronenbeugung im temperaturbereich von 25 bis 1850 °C // Acta Crystallographica Section A: Crystal Physics, Diffraction, Theoretical and General Crystallography. 1972. V. 28. № 1. P. 59–65.
  36. Ehlers F.J.H., Christensen N.E. Phosphorus under pressure: Ba-iv-type structure as a candidate for p-iv // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 21. P. 214112.
  37. Ko W.-S., Kim N.J., Lee B.-J. Atomistic modeling of an impurity element and a metal– impurity system: pure p and fe–p system // J. Phys.: Condensed Matter. 2012. V. 24. № 22. P. 225002.
  38. Wyckoff R.W.G. Crystal structures 1 (7–83). American Mineralogist Crystal Structure Database. 1963. V. 2.
  39. Okada Y., Tokumaru Y. Precise determination of lattice parameter and thermal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500 k // J. Appl. Phys. 1984. V. 56. № 2. P. 314–320.
  40. Garrett A.M., Race C.P. Segregation of Ni and Si to coherent bcc Fr-Cu interfaces from density functional theory // J. Nucl. Mater. 2021. V. 556. P. 153185.
  41. Schwarz K., Blaha P. Solid state calculations using WIEN2k // Comp. Mater. Sci. 2003. V. 28. № 2. P. 259–273.
  42. Verkhovykh A.V., Mirzoev A.A., Mirzaev D.A. Interaction of phosphorus with impurity atoms in bcc iron // Solid State Phenomena / Trans Tech Publ. 2018. V. 284. P. 627–633.
  43. Lejček P., Hofmann S. Interstitial and substitutional solute segregation at individual grain boundaries of α-iron: data revisited // J. Phys.: Condensed Matter. 2016. V. 28. № 6. P. 064001.
  44. Slater J.C. Atomic Radii in Crystals // J. Chem. Phys. 1964. V. 41. P. 3199–3204.
  45. Mirzoev A.A., Yalalov M.M., Mirzaev D.A. Calculation of the energy of mixing for the Fe-Cr alloys by the first-principles methods of computer simulation // Phys. Met. Metal. 2004. V. 97. № 4. P. 315–322.
  46. Mirzoev A.A., Yalalov M.M., Mirzaev D.A. Energy of mixing and magnetic state of components of Fe-Mn alloys: A first-principles calculation for the ground state // Phys. Met. Metallog. 2006. V. 101. № 4. P. 341–348.
  47. Rahman G., Kim In Gee, Bhadeshia H.K.D.H., Freeman A.J. First-principles investigation of magnetism and electronic structures of substitutional 3 d transition-metal impurities in bcc Fe // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 18. P. 184423.
  48. Lejček, P., Ad’amek J., Hofmann S. Anisotropy of grain boundary segregation in ∑= 5 bicrystals of α-iron // Surface Sci. 1992. V. 264. № 3. P. 449–454.
  49. Hatcher N., Madsen G.K.H., Drautz R. Parameterized electronic description of carbon cohesion in iron grain boundaries // J. Phys.: Condensed Matter. 2014. V. 26. № 14. P. 145502.
  50. Tahir A.M., Janisch R., Hartmaier A. Hydrogen embrittlement of a carbon segregated ∑5 (310)[001] symmetrical tilt grain boundary in α-fe // Mater. Sci. Eng.: A. 2014. V. 612. P. 462–467.
  51. Zhou H.-B., Liu Y.-L., Duan Ch. et al. Effect of vacancy on the sliding of an iron grain boundary // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. № 11. P. 113512.
  52. Mirzaev D.A., Mirzoev A.A., Okishev K. Yu., Verkhovykh A.V. Hydrogen–vacancy interaction in bcc iron: ab initio calculations and thermodynamics // Molecular Phys. 2014. V. 112. № 13. P. 1745–1754.
  53. Mirzoev A.A., Ridnyi Ya.M., Verkhovykh A.V. Ab initio computer simulation of the energy parameters and the magnetic effects in ternary Fe–X–C (X= Si, P, S, Cr, Mn) systems // Russian Metallurgy (Metally). 2019. V. 2019. № 2. P. 168–172.
  54. Smith J.F., Reynolds J.H., Southworth H.N. The role of Mn in the temper embrittlement of a 3.5 Ni–Cr–Mo–V steel // Acta Metal. 1980. V. 28. № 11. P. 1555–1564.
  55. Suzuki S., Obata M., Abiko K., Kimura H. Effect of carbon on the grain boundary segregation of phosphorus in α-iron // Scripta Metal. 1983. V. 17. № 11. P. 1325–1328.
  56. Suzuki Sh., Obata M., Abiko K., Kimura H. Role of carbon in preventing the intergranular fracture in iron-phosphorus alloys // Trans. Iron Steel Institute of Japan. 1985. V. 25. № 1. P. 62–68.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение границы зерна ОЦК-железа и положение примесных атомов (P, Cr, Si, Mn, С): (а) Σ5(310); (б) Σ3(111) (1–3 позиции для атомов примеси; ο – 0 позиция внедрения для атома фосфора и углерода, нулевая позиция; □ – позиция атома углерода при совместной сегрегации P и С в позициях внедрения; 2ʹ и 3ʹ – позиции для атомов примеси при совместной сегрегации).

Скачать (33KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость объема многогранника Вороного для атома примеси от номера позиции. Пунктиром показан объем многранников Вороного для атомов железа вблизи межзеренной границы в чистом ОЦК-Fe.

Скачать (31KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость магнитного момента на атоме примеси X и энергии растворения примеси Х (X=P, Mn, Cr, Si) от номера позиции для ГЗ Σ5(310).

Скачать (53KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость магнитного момента на атоме примеси X и энергии растворения примеси Х (X=P, Mn, Cr, Si) от номера позиции для ГЗ Σ3(111). Пунктиром показаны данные работы [30].

Скачать (50KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость расстояния между атомом фосфора (в позиции 2 (а) и в позиции 0 (б)) и примесью от номера позиции примеси.

Скачать (31KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость относительной энергии (En–E0) границы зерна Σ5(310), содержащей атом фосфора (в позиции 2 (а) и 0 (б)) и примеси Mn, Cr, Si, P, от номера позиции примеси.

Скачать (39KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение энергии ко-сегрегации в зависимости от номера позиции атомов X (Х=Mn, Cr, Si, P) на границе Σ5(310) зерна: (а) ; (б) . Атом фосфора находится во 2 позиции.

Скачать (37KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изменение энергии ко-сегрегации в зависимости от номера позиции атомов X (Х=Mn, Cr, Si, P) на границе Σ5(310) зерна: (а) ; (б) . Атом фосфора находится в 0 позиции.

Скачать (37KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Энергии ко-сегрегации фосфора с углеродом и в зависимости от номера позиции фосфора (а). Углерод занимает позицию внедрения (0). Зависимость относительной энергии (En–E0) границы зерна с атомом углерода (0) и фосфором от номера позиции Р (б).

Скачать (33KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость от номера позиции примеси Х на межзеренной границе Σ3(111): (а) расстояния между атомом фосфора (в позиции 2) и примесью Х; (б) относительной энергии ( ) границы зерна, содержащей атом фосфора (в позиции 2) и примесь Х в различных позициях.

Скачать (36KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Энергии ко-сегрегации атомов Р–X (Х=Mn, Cr, Si, P) в зависимости от номера позиции на границе зерна Σ3(111) (а) ; (б) . Атом фосфора находился во 2 позиции.

Скачать (39KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Энергии ко-сегрегации фосфора с углеродом и в зависимости от номера позиции фосфора на межзеренной границе Σ3(111) (а). Углерод занимает позицию внедрения (0). Зависимость относительной энергии границы зерна с атомом углерода (0) и фосфором от номера позиции Р (б).

Скачать (32KB)
Метаданные