Energetics of segregation and embrittling potency for non-transition elements in the Ni 5 (012) symmetrical tilt grain boundary; A First-principles study

ニッケル5対称傾角粒界中における、非遷移元素の偏析と脆化能に関するエネルギー論; 第一原理計算による研究

山口 正剛   ; 志賀 基之   ; 蕪木 英雄

Yamaguchi, Masatake; Shiga, Motoyuki; Kaburaki, Hideo

ニッケル金属の5(012)対称傾角粒界中の非遷移元素がもたらす脆化効果について、WIEN2kコードを用いた第一原理計算による研究を行った。まず溶質元素(非遷移元素)がある場合とない場合における粒界/表面構造について、力を最小にするように原子を動かし安定な構造を求めた。次に置換サイトと格子間サイトも含めて、粒界/表面/bulkサイトにおける溶質元素の結合エネルギーを、HからRn間にあるすべての非遷移元素について計算した。そして、粒界/表面偏析エネルギーは、粒界/表面サイトにおける結合エネルギーとバルク内部におけるそれとの差から求め、Rice-Wangモデルに基づく脆化能エネルギー(embrittling potency energy)は、偏析エネルギーの粒界と表面での差から求めた。計算の結果、ほとんどの非遷移元素は負の粒界/表面偏析エネルギーを示した。それは粒界/表面がバルク内部よりも非遷移元素にとって安定であることを意味する。また、脆化能エネルギーはほとんどの元素で正となった(脆化がもたらされる)が、Be, B, C, Siで大きな負の値となり、これらの一部の元素は粒界を強化する可能性があることが示された。さらに、計算結果はさまざまな実験事実と矛盾しないことが示された。

A series of non-transition elements bound to the Ni 5(012) symmetrical tilt grain boundary (GB) and the (012) free surface (FS) systems has been studied by first-principles calculation using WIEN2k code. The multilayer relaxations in presence/absence of the solutes are determined by the force minimization. The binding energies at some GB/FS/bulk sites including both interstitial and substitutional sites are calculated for all the non-transition elements between H and Rn. The GB/FS segregation energy is obtained by calculating the binding energy difference between the GB/FS site and the bulk site. The embrittling potency energy is obtained by calculating the difference between the GB and FS segregation energies based on Rice-Wang model. Our results show that most of the non-transition elements have negative GB/FS segregation energies. Here, this means that there exists a segregation site in the GB/FS. The embrittling potency energies are positive for most of the solutes. However, some exceptions like Be, B, C, and Si having negative and large embrittling potency can enhance the GB cohesion. Our results are found to be consistent with the experimental findings.