不同晶界结构中合金元素的强化能与元素金属半径之间的关系图
近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所内耗与固体缺陷研究室研究员刘长松课题组与等离子体物理研究所、北京航空航天大学及中科院近代物理研究所合作，在钨晶界合金元素强化界面作用机理方面取得了新进展，相关研究成果发表在Acta Materialia(2016,120,315-326)上。
金属钨具有高熔点、低溅射、氢滞留极低等特性，是一种最具潜力的面向等离子体第一壁材料。然而，纯钨具有明显的室温脆性和辐照脆性等缺点。因此，改善钨基材料的力学性能和抗辐照性能是聚变材料研究的关键科学问题之一。微合金化和晶界优化设计是提高材料力学性能的重要途径，通过添加一些有益的合金元素来强化界面，可有效提高材料的强度与韧性。然而，目前合金元素强化钨晶界的作用规律与机制尚未清楚。例如，哪些元素易强化/脆化晶界？合金元素强化晶界能力与晶界的结构与类型是否存在关系？因此，人们需要全面认识合金元素强化钨晶界能力与合金元素自身以及晶界结构之间的关系，进而为钨基材料合金元素的优化选择以及晶界结构的调控提供理论指导。
科研人员基于第一性原理研究了19种过渡族合金元素（3d：Ti-Ni; 4d: Zr-Pd; 5d: Hf-Pt）在一系列典型钨晶界中的偏聚和强化/脆化效应。通过能量学方法（偏聚能和强化能）和动力学拉伸模拟（拉伸强度）来定量描述元素偏聚引起的晶界结合强度的变化，获得强化能与晶界结构以及与合金元素自身性质（金属半径/最外层价电子数）之间的关系。研究结果表明合金元素强化/脆化晶界能力与晶界结构密切相关。合金元素易强化晶界能较大的晶界，而易脆化晶界能较小的晶界。此外，合金元素强化晶界能力与元素自身的金属半径成正相关（如图所示）。研究结果表明，尺寸效应在其偏聚强化界面过程中起主导作用，即金属半径比钨小的合金元素，易在晶界面处偏聚并能强化界面。该研究为高性能钨基材料合金元素的优化选择以及晶界的优化设计提供了理论指导：在晶界处添加Zr、Hf、Ta、Re及Ru等元素可有效提高晶界的结合强度，从而改善材料的力学性能。
上述研究工作得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等项目的资助。（来源：中国科学院合肥物质科学研究院）
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