鉬及鉬合金具有一系列優(yōu)異的性能，如高熔點、高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的耐腐蝕性和高溫蠕變性能，因此在許多工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出極高的應(yīng)用價值。然而，鉬及鉬合金對氧偏析十分敏感，氧偏析導(dǎo)致鉬晶界脆性增大，力學(xué)性能惡化。因此，了解氧偏析導(dǎo)致鉬晶界脆化的機理對于改善鉬晶界性能非常重要。

近日，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接國家重點實驗室馮吉才教授、陳國慶副教授、張戈博士等人開展了鉬合金電子束焊接方面的研究，分析了焊縫中氧偏析導(dǎo)致鉬晶界脆化的本質(zhì)原因。這一研究工作從原子尺度揭示了氧在鉬中的偏析傾向和偏析行為，以及氧偏析對鉬晶界脆化的影響，為通過優(yōu)化晶界結(jié)構(gòu)提高鉬的力學(xué)性能提供了指導(dǎo)。研究成果“First-principles study of oxygen segregation and its effect on the embrittlement of molybdenum symmetrical tilt grain boundaries”為標(biāo)題，發(fā)表在Acta materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119387

通過第一性原理計算方法，系統(tǒng)研究了O在不同的Mo晶界結(jié)構(gòu)和偏析位點中的偏析行為。研究發(fā)現(xiàn)：（1）O偏析至不同晶界結(jié)構(gòu)和偏析位點時均表現(xiàn)出負(fù)的偏析能；（2）O偏析至不同晶界結(jié)構(gòu)和偏析位點時，偏析晶界的能量比純晶界能量更低。這些結(jié)果表明，O傾向于在Mo晶界區(qū)域發(fā)生偏析，且O偏析不會降低Mo晶界穩(wěn)定性。

圖1 （a）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位點的偏析能；（b）O偏析到Mo晶界面附近不同偏析位點的偏析能；（c）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位點時的晶界能；（d）O偏析到Mo晶界面附近不同偏析位點時的晶界能

圖2 （a）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位點的結(jié)構(gòu)強化能；（b）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位點的化學(xué)強化能

圖3 （a-c）純MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 對稱傾轉(zhuǎn)晶界和O偏析晶界的晶界分離能曲線；（d-f）純MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 對稱傾轉(zhuǎn)晶界和O偏析晶界的理論拉伸強度曲線

圖4 （a-c）拉伸過程中純MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 對稱傾轉(zhuǎn)晶界界面區(qū)域原子間鍵長變化；（d-f） 拉伸過程中O偏析MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 對稱傾轉(zhuǎn)晶界界面區(qū)域原子間鍵長變化

圖5 第一性原理拉伸過程中純Mo Σ5(310)[001]對稱傾轉(zhuǎn)晶界及O偏析晶界電荷密度變化

通過原子級別的分析，發(fā)現(xiàn)O傾向于在Mo晶界中心及Mo晶界面附近的間隙位點發(fā)生偏析。O偏析對Mo晶界脆性的影響與Mo的晶界結(jié)構(gòu)及原子間相互作用密切相關(guān)。對于大多數(shù)晶界結(jié)構(gòu)，O偏析會導(dǎo)致偏析區(qū)域多面體偏析位點體積增大，相鄰Mo原子間相互作用降低。其中原子間相互作用對于晶界脆化起著決定性的作用。O偏析會削弱了Mo-Mo鍵而促進(jìn)Mo-O鍵的生成。晶界區(qū)域受O偏析影響的Mo-Mo鍵數(shù)量越多，晶界脆化程度就越高。低指數(shù)對稱傾轉(zhuǎn)晶界中Mo-Mo鍵受O偏析影響相對較小，因此可通過晶界工程方法，提高M(jìn)o中低指數(shù)晶界的比例而改善O偏析導(dǎo)致的Mo晶界脆化問題。