晶界偏析工程，提高合金强度和韧性！

孪晶界 (TB) 对各种合金的成型性和机械性能至关重要。本文以Ti {10-12}和{10-11}TB为第一原理计算模型，确定了14种金属溶质对HCP Ti合金中孪晶界能量和强度的影响。根据孪晶界形成能确定了溶质对TB稳定性的影响，偏析能和相关的偏析浓度和溶解能也被讨论以确定溶质的存在状态，了解到原子体积（特别是Voronoi体积）和这些能量之间的线性关系。最后，在考虑和不考虑泊松效应的情况下，进行了第一原理的拉伸试验，以确定最大的TB强度并确认观察到的强化和脆化能量。本文从微观角度对掺杂的Ti TB结构和化学成分进行了全面的分析，可以作为通过溶质原子设计TB来开发新的hcp合金的理论指导。

中山大学王彪教授团队通过第一性原理计算方法研究了钛合金的界面强韧化，相关论文以题为“First-principles calculation of twin boundary energy and strength/embrittlement in hexagonal close-packed titanium” 在线发表在Materials & Design上。惠均为本文第一作者，王彪老师和刘文冠老师为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110331

采用第一原理计算来确定hcp Ti合金的TB强度和能量。在Ti {10-12}和{10-11}的拉伸（A）和压缩（B）部位，总共研究了14种金属溶质。在{10-11}n=1,2A中，孪晶形成能与溶质的原子半径有正的线性关系，在{10-11}n=1,2B中则有负的线性关系，偏析能与Voronoi体积也存在强的线性关系。在{10-12}A中具有强化作用的溶质原子是Ni、Cu、V、Al、Nb、Ta和Zr；在{101̅2}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具有负的SE和溶解度,电子相互作用, 尤其是化学作用在强化和脆化效应中起着主导作用。我们探索了溶质的电荷和状态密度，以确定潜在的电子相互作用。最后，进行了第一原理的拉伸试验，以确定最大的TB强度，并确认强化和脆化能量试验的结果，并与实验获得了高度一致。

图. 1. (a){10-12}和(b){10-11}孪晶的晶体学参数，(c){10-12}拉伸和(d){10-11}压缩孪晶的原子模型，其中A和B表示TB中的两类原子位置。  

图2. 计算的孪晶形成能与合金元素半径之间的函数关系。  

图3. 掺杂在Ti {10-12}和{10-11}孪晶的A和B点的溶质的偏析能和Voronoi体积的相关性  

图4. 在Ti {10-12}A孪晶中包含Site A、1、2位置的电荷密度（e/Bohr3）。  

总之，目前的研究从原子-电子角度对掺杂的Ti TB的能量和强韧性进行了全面分析，这些结果可能对开发新的HCP合金很有价值。因为通过溶质原子的晶界偏析工程可以用来控制金属微观结构，提高各种合金的强度和韧性。

审核编辑 ：李倩