孿晶界 (TB) 對(duì)各種合金的成型性和機(jī)械性能至關(guān)重要。本文以Ti {10-12}和{10-11}TB為第一原理計(jì)算模型，確定了14種金屬溶質(zhì)對(duì)HCP Ti合金中孿晶界能量和強(qiáng)度的影響。根據(jù)孿晶界形成能確定了溶質(zhì)對(duì)TB穩(wěn)定性的影響，偏析能和相關(guān)的偏析濃度和溶解能也被討論以確定溶質(zhì)的存在狀態(tài)，了解到原子體積（特別是Voronoi體積）和這些能量之間的線性關(guān)系。最后，在考慮和不考慮泊松效應(yīng)的情況下，進(jìn)行了第一原理的拉伸試驗(yàn)，以確定最大的TB強(qiáng)度并確認(rèn)觀察到的強(qiáng)化和脆化能量。本文從微觀角度對(duì)摻雜的Ti TB結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行了全面的分析，可以作為通過溶質(zhì)原子設(shè)計(jì)TB來開發(fā)新的hcp合金的理論指導(dǎo)。

中山大學(xué)王彪教授團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算方法研究了鈦合金的界面強(qiáng)韌化，相關(guān)論文以題為“First-principles calculation of twin boundary energy and strength/embrittlement in hexagonal close-packed titanium” 在線發(fā)表在Materials & Design上。惠均為本文第一作者，王彪老師和劉文冠老師為共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110331

采用第一原理計(jì)算來確定hcp Ti合金的TB強(qiáng)度和能量。在Ti {10-12}和{10-11}的拉伸（A）和壓縮（B）部位，總共研究了14種金屬溶質(zhì)。在{10-11}n=1,2A中，孿晶形成能與溶質(zhì)的原子半徑有正的線性關(guān)系，在{10-11}n=1,2B中則有負(fù)的線性關(guān)系，偏析能與Voronoi體積也存在強(qiáng)的線性關(guān)系。在{10-12}A中具有強(qiáng)化作用的溶質(zhì)原子是Ni、Cu、V、Al、Nb、Ta和Zr；在{101?2}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具有負(fù)的SE和溶解度,電子相互作用, 尤其是化學(xué)作用在強(qiáng)化和脆化效應(yīng)中起著主導(dǎo)作用。我們探索了溶質(zhì)的電荷和狀態(tài)密度，以確定潛在的電子相互作用。最后，進(jìn)行了第一原理的拉伸試驗(yàn)，以確定最大的TB強(qiáng)度，并確認(rèn)強(qiáng)化和脆化能量試驗(yàn)的結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)獲得了高度一致。

圖. 1. (a){10-12}和(b){10-11}孿晶的晶體學(xué)參數(shù)，(c){10-12}拉伸和(d){10-11}壓縮孿晶的原子模型，其中A和B表示TB中的兩類原子位置。

圖2. 計(jì)算的孿晶形成能與合金元素半徑之間的函數(shù)關(guān)系。

圖3. 摻雜在Ti {10-12}和{10-11}孿晶的A和B點(diǎn)的溶質(zhì)的偏析能和Voronoi體積的相關(guān)性

圖4. 在Ti {10-12}A孿晶中包含Site A、1、2位置的電荷密度（e/Bohr3）。

總之，目前的研究從原子-電子角度對(duì)摻雜的Ti TB的能量和強(qiáng)韌性進(jìn)行了全面分析，這些結(jié)果可能對(duì)開發(fā)新的HCP合金很有價(jià)值。因?yàn)橥ㄟ^溶質(zhì)原子的晶界偏析工程可以用來控制金屬微觀結(jié)構(gòu)，提高各種合金的強(qiáng)度和韌性。