钼及钼合金具有一系列优异的性能，如高熔点、高导热性、优异的耐腐蚀性和高温蠕变性能，因此在许多工业领域展现出极高的应用价值。然而，钼及钼合金对氧偏析十分敏感，氧偏析导致钼晶界脆性增大，力学性能恶化。因此，了解氧偏析导致钼晶界脆化的机理对于改善钼晶界性能非常重要。

近日，来自哈尔滨工业大学焊接国家重点实验室冯吉才教授、陈国庆副教授、张戈博士等人开展了钼合金电子束焊接方面的研究，分析了焊缝中氧偏析导致钼晶界脆化的本质原因。这一研究工作从原子尺度揭示了氧在钼中的偏析倾向和偏析行为，以及氧偏析对钼晶界脆化的影响，为通过优化晶界结构提高钼的力学性能提供了指导。研究成果“First-principles study of oxygen segregation and its effect on the embrittlement of molybdenum symmetrical tilt grain boundaries”为标题，发表在Acta materialia。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119387

通过第一性原理计算方法，系统研究了O在不同的Mo晶界结构和偏析位点中的偏析行为。研究发现：（1）O偏析至不同晶界结构和偏析位点时均表现出负的偏析能；（2）O偏析至不同晶界结构和偏析位点时，偏析晶界的能量比纯晶界能量更低。这些结果表明，O倾向于在Mo晶界区域发生偏析，且O偏析不会降低Mo晶界稳定性。

图1 （a）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位点的偏析能；（b）O偏析到Mo晶界面附近不同偏析位点的偏析能；（c）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位点时的晶界能；（d）O偏析到Mo晶界面附近不同偏析位点时的晶界能

图2 （a）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位点的结构强化能；（b）O偏析到Mo晶界中心不同偏析位点的化学强化能

图3 （a-c）纯MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 对称倾转晶界和O偏析晶界的晶界分离能曲线；（d-f）纯MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 对称倾转晶界和O偏析晶界的理论拉伸强度曲线

图4 （a-c）拉伸过程中纯MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 对称倾转晶界界面区域原子间键长变化；（d-f） 拉伸过程中O偏析MoΣ3, Σ5, 和 Σ17 对称倾转晶界界面区域原子间键长变化

图5 第一性原理拉伸过程中纯Mo Σ5(310)[001]对称倾转晶界及O偏析晶界电荷密度变化

通过原子级别的分析，发现O倾向于在Mo晶界中心及Mo晶界面附近的间隙位点发生偏析。O偏析对Mo晶界脆性的影响与Mo的晶界结构及原子间相互作用密切相关。对于大多数晶界结构，O偏析会导致偏析区域多面体偏析位点体积增大，相邻Mo原子间相互作用降低。其中原子间相互作用对于晶界脆化起着决定性的作用。O偏析会削弱了Mo-Mo键而促进Mo-O键的生成。晶界区域受O偏析影响的Mo-Mo键数量越多，晶界脆化程度就越高。低指数对称倾转晶界中Mo-Mo键受O偏析影响相对较小，因此可通过晶界工程方法，提高Mo中低指数晶界的比例而改善O偏析导致的Mo晶界脆化问题。