[论文解读] First-principles study of the Mn, Al and C distribution and their effect on the stacking fault energies in austenite

Н. И. Медведева, M. S. Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Aluminum Alloy Microstructure Properties被引用 6

一句话总结

本项从头算研究探讨了Fe-Mn-Al-C奥氏体中Mn、Al和C的非均匀分布及其对层错能（SFE）的影响。通过从头算计算，表明SFE对层错附近局部杂质浓度的依赖性极强，而非平均基体成分；Mn表现出轻微偏析至层错，C则避开层错，且Al和C均能提高SFE——尽管Mn-C成对和D03型Al有序会抑制该效应。

ABSTRACT

We present ab-initio simulation of manganese, aluminum and carbon impurities in austenite and demonstrate their inhomogeneous distribution, which involves the repulsion of interstitial carbon atoms, the formation of bonded Mn-C pairs as well as a short range Al-ordering of D03-type. The mechanisms for the formation of stacking faults in Fe-Mn-Al-C are considered, and we find that the impurities have influence on the stacking fault energies only when located within a few interatomic layers near stacking fault. As a result, the stacking fault energy does not depend on the average concentration of impurities in matrix, but is highly sensitive to the concentration of the impurities in the vicinity of stacking fault defect. We predict that manganese shows a slight tendency for segregation near SF, while carbon prefers to be located far from the stacking fault region. Both aluminum and carbon impurities linearly increase the SFE, while the formation of Mn-C pairs and short range Al-ordering restrain the SFE growth. Short range order in Fe-Al-C alloys strongly affects the energy barrier for nucleation of dislocations and may lead to softening phenomenon.

研究动机与目标

• 理解Mn、Al和C杂质在Fe基奥氏体中的热力学与结构行为。
• 研究这些元素的非均匀分布，包括短程有序和成键倾向。
• 确定层错附近局部杂质构型对层错能（SFE）的影响。
• 阐明Mn-C对与D03型Al有序在调节SFE及位错形核能垒中的作用。
• 解决高Mn、高Al、含C奥氏体钢中平均成分与实测SFE之间的矛盾。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）对Fe-Mn-Al-C体系进行从头算电子结构计算。
• 通过控制Mn、Al和C原子分布的超胞模型，模拟固溶体与短程有序结构。
• 利用能量最小化与径向分布函数分析Mn-C对与D03型短程Al有序的形成。
• 采用板状模型计算不同层错面上下文局部构型的层错能（SFE）。
• 通过对比存在与不存在特定局部排列时的SFE值，量化杂质对SFE的影响。
• 采用热力学分析评估杂质在层错附近的偏析倾向及位错形核的能垒。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn、Al和C在Fe-Mn-Al-C奥氏体中如何分布？其非均匀分布的驱动力是什么？
• RQ2 Mn-C成对与D03型Al有序对层错能（SFE）有何影响？
• RQ3 SFE是由基体中杂质的平均浓度决定，还是由靠近层错的局部浓度决定？
• RQ4 杂质如何影响层错处位错形核的能垒？
• RQ5 为何Fe-Mn-Al-C钢的SFE与平均成分之间不存在线性相关性？

主要发现

• 碳原子强烈排斥层错区域，倾向于远离层错平面。
• 锰表现出轻微偏析至层错的趋势，但不显著。
• 铝和碳单独存在时均能提高层错能（SFE），且其影响与靠近层错的局部浓度呈线性关系。
• Mn-C对的形成与D03型短程Al有序显著抑制了铝和碳引起的SFE升高。
• 层错能并非由基体中杂质的平均浓度决定，而是由层错周围几层原子内的局部浓度决定。
• Fe-Al-C体系中的短程有序提高了位错形核的能垒，可能使材料产生软化效应。