Влияние легирующих примесей (Si, Mn, Cr, C) на зернограничную сегрегацию P в α-железе
- Авторы: Верховых А.В.1, Мирзоев А.А.1, Дюрягина Н.С.1
-
Учреждения:
- Южно-Уральский государственный университет (НИУ)
- Выпуск: Том 125, № 10 (2024)
- Страницы: 1274-1290
- Раздел: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
- URL: https://rjdentistry.com/0015-3230/article/view/681900
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024100096
- EDN: https://elibrary.ru/JEYZBD
- ID: 681900
Цитировать
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.
Ключевые слова
Полный текст

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
- Seah M.P. Adsorption-induced interface decohesion // Acta Metal. 1980. V. 28. № 7. P. 955–962.
- 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.
- 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.
- 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.
- Lejček P. Grain boundary segregation in metals // Springer Science & Business Media. 2010. V. 136. 239 р.
- 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.
- Chojcan J. Interactions between impurity atoms of 3d transition metals dissolved in iron // J. Alloys Comp. 1998. V. 264(1–2). P. 50–53.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Wachowicz E., Kiejna A. Effect of impurities on grain boundary cohesion in bcc iron // Comp. Mater. Sci. 2008. V. 43. P. 736–743.
- 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.
- 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.
- Preece A., Carter R.D. Temper-brittleness in high-purity iron-base alloys // J. Iron Steel Inst. 1953. V. 173. № 4. P. 387.
- Guttmann M. Equilibrium segregation in a ternary solution: A model for temper embrittlement // Surface Sci. 1975. V. 53. № 1. P. 213–227.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Sutton A.P., Balluffi R.W. Interfaces in Crystalline Materials. Clarendon press, Oxford, 1995.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Roth T.A. The surface and grain boundary energies of iron, cobalt and nickel // Mater. Sci. Eng. 1975. V. 18. P. 183–192.
- Эмсли Дж. Элементы: Пер. с англ. М.: Мир, 1993. 256 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Wyckoff R.W.G. Crystal structures 1 (7–83). American Mineralogist Crystal Structure Database. 1963. V. 2.
- 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.
- 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.
- Schwarz K., Blaha P. Solid state calculations using WIEN2k // Comp. Mater. Sci. 2003. V. 28. № 2. P. 259–273.
- 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.
- 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.
- Slater J.C. Atomic Radii in Crystals // J. Chem. Phys. 1964. V. 41. P. 3199–3204.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
