孿晶界 (TB) 對各種合金的成型性和機械性能至關(guān)重要。本文以Ti {10-12}和{10-11}TB為第一原理計算模型，確定了14種金屬溶質(zhì)對HCP Ti合金中孿晶界能量和強度的影響。根據(jù)孿晶界形成能確定了溶質(zhì)對TB穩(wěn)定性的影響，偏析能和相關(guān)的偏析濃度和溶解能也被討論以確定溶質(zhì)的存在狀態(tài)，了解到原子體積（特別是Voronoi體積）和這些能量之間的線性關(guān)系。最后，在考慮和不考慮泊松效應的情況下，進行了第一原理的拉伸試驗，以確定最大的TB強度并確認觀察到的強化和脆化能量。本文從微觀角度對摻雜的Ti TB結(jié)構(gòu)和化學成分進行了全面的分析，可以作為通過溶質(zhì)原子設計TB來開發(fā)新的hcp合金的理論指導。

中山大學王彪教授團隊通過第一性原理計算方法研究了鈦合金的界面強韌化，相關(guān)論文以題為“First-principles calculation of twin boundary energy and strength/embrittlement in hexagonal close-packed titanium” 在線發(fā)表在Materials & Design上。惠均為本文第一作者，王彪老師和劉文冠老師為共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110331

采用第一原理計算來確定hcp Ti合金的TB強度和能量。在Ti {10-12}和{10-11}的拉伸（A）和壓縮（B）部位，總共研究了14種金屬溶質(zhì)。在{10-11}n=1,2A中，孿晶形成能與溶質(zhì)的原子半徑有正的線性關(guān)系，在{10-11}n=1,2B中則有負的線性關(guān)系，偏析能與Voronoi體積也存在強的線性關(guān)系。在{10-12}A中具有強化作用的溶質(zhì)原子是Ni、Cu、V、Al、Nb、Ta和Zr；在{101?2}B中是V、Nb和Ta；在{10-11}A中是V；在{10-11}B是Ta。{10-12}A中的Ni、Cu和Al，{10-12}B中的Zr和Sn，以及{10-11}A中的Ni具有負的SE和溶解度,電子相互作用, 尤其是化學作用在強化和脆化效應中起著主導作用。我們探索了溶質(zhì)的電荷和狀態(tài)密度，以確定潛在的電子相互作用。最后，進行了第一原理的拉伸試驗，以確定最大的TB強度，并確認強化和脆化能量試驗的結(jié)果，并與實驗獲得了高度一致。

圖. 1. (a){10-12}和(b){10-11}孿晶的晶體學參數(shù)，(c){10-12}拉伸和(d){10-11}壓縮孿晶的原子模型，其中A和B表示TB中的兩類原子位置。

圖2. 計算的孿晶形成能與合金元素半徑之間的函數(shù)關(guān)系。

圖3. 摻雜在Ti {10-12}和{10-11}孿晶的A和B點的溶質(zhì)的偏析能和Voronoi體積的相關(guān)性

圖4. 在Ti {10-12}A孿晶中包含Site A、1、2位置的電荷密度（e/Bohr3）。

總之，目前的研究從原子-電子角度對摻雜的Ti TB的能量和強韌性進行了全面分析，這些結(jié)果可能對開發(fā)新的HCP合金很有價值。因為通過溶質(zhì)原子的晶界偏析工程可以用來控制金屬微觀結(jié)構(gòu)，提高各種合金的強度和韌性。