[论文解读] Atomistic insights into the inhomogeneous nature of solute segregation to grain boundaries in magnesium

Risheng Pei, Zhuocheng Xie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2022

Magnesium Alloys: Properties and Applications被引用 3

一句话总结

本研究结合三维原子探针穿刺术（3D atom probe tomography）与原子尺度模拟，揭示了在Mg-1.0 wt.%Nd-1.0 wt.%Mn合金中，溶质偏析至晶界（GBs）具有高度非均匀性，不同晶界取向及单个晶平面内，Nd浓度在2–5 at.%之间变化。这种非均匀性源于局部原子重排与过剩自由体积，其通过调节每位置偏析能影响偏析行为，挑战了基于平均晶界性质的传统模型。

ABSTRACT

In magnesium alloys with multiple substitutional elements, solute segregation at grain boundaries (GBs) has a strong impact on many important material characteristics, such as GB energy and mobility, and therefore, texture. Although it is well established that GB segregation is inhomogeneous, the variation of GB solute composition for random boundaries is still not understood. In the current study, atomic-scale experimental and simulation techniques were used to investigate the compositional inhomogeneity of six different GBs. Three-dimensional atom probe tomography results revealed that GB solute concentration of Nd in Mg varies between 2 to 5 at.%. This variation was not only seen for different GB orientations but also within the GB plane. Correlated atomistic simulations suggest that the inhomogeneous segregation behavior observed experimentally stems from local atomic rearrangements within the GBs and introduce the notion of potential excess free volume in the context of improving the prediction of per-site segregation energies.

研究动机与目标

• 理解多溶质Mg合金中晶界处溶质非均匀偏析的起源。
• 研究局部原子结构与自由体积如何影响随机晶界中每位置偏析能。
• 通过引入超越平均晶界性质的局部原子环境效应，改进溶质偏析的预测模型。
• 将实验APT数据与原子尺度模拟相关联，验证结构非均质性在偏析行为中的作用。

提出的方法

• 在30 K下采用激光脉冲进行三维原子探针穿刺术（APT），定量分析挤压态Mg-1.0 wt.%Nd-1.0 wt.%Mn合金中六个随机晶界的溶质分布。
• 采用透射Kikuchi衍射（TKD）辅助的聚焦离子束（FIB）加工技术，实现具有晶体学取向测绘的精确APT样品制备。
• 利用LAMMPS软件结合MEAM势函数对Mg-Nd体系进行原子尺度模拟，构建晶界结构并计算每位置偏析能。
• 采用圆柱形模拟胞与固定边界条件及真空层，以隔离晶界效应；通过静水应力与Voronoi体积分析评估局部应变与自由体积。
• 采用每位置均方位移（MSD）量化Nd原子在晶界位置取代后原子的弛豫行为。
• 应用线弹性模型基于体积失配与体模量预测偏析能，并与模拟值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mg合金中不同晶界取向及单个晶平面内，Nd溶质原子分布非均匀的原因是什么？
• RQ2 局部原子重排与过剩自由体积如何影响随机晶界中每位置偏析能？
• RQ3 基于体积失配的线弹性模型在复杂非对称晶界中，对实际偏析能的预测程度如何？
• RQ4 原子尺度模拟能否再现实验观测到的Mg-Nd-Mn合金中不同晶界间溶质浓度（2–5 at.%）的变化？
• RQ5 局部原子环境（包括静水应力与Voronoi体积）与单个晶界位置的偏析能之间存在何种关联？

主要发现

• APT结果表明，Mg中晶界处Nd浓度在2至5 at.%之间变化，不同晶界取向及单个晶平面内均存在显著差异。
• 原子尺度模拟显示，Nd取代后局部原子重排导致非均匀应变场，局部区域静水应力超过0.2 GPa。
• 模拟偏析能与局部静水应力之间存在强烈相关性，表明应变非均质性是导致非均匀偏析的关键因素。
• 基于体积失配的线弹性模型低估了偏析能的变化，表明过剩自由体积与局部原子弛豫是关键但未被考虑的因素。
• 每位置偏析能在晶界平面上显著变化，部分位置能量差异高达1.5 eV，可解释观测到的成分非均质性。
• 本研究提出“潜在过剩自由体积”作为预测每位置偏析能的关键因素，为超越平均晶界性质的原子模型改进提供了新路径。