从机理上理解钢或铁合金中的G相，对石油、化工和核工业有有着重要的意义。主要由于它既存在于热时效不锈钢中，也存在于铁素体中，在实际高温环境(573～1100K)下长期使用过程中会严重影响其结构的完整性。

近日，来自英国伦敦帝国理工学院和我国哈尔滨工业大学的一项联合最新研究成果，利用密度泛函理论(DFT)方法计算并模拟了式X6M16Si7的G相析出相，其中X为Cr、Hf、Mn、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W和Zr，M为Fe或Ni。经过大量理论计算和实验相结合，设计出了一种新的铁合金成分FebalCr9Ni4Si2 (Mn0.6Zr0.4)1.2at.％。相关论文以题为“G-phase strengthened iron alloys by design ”于近期发表在金属材料顶级刊物 Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.007

在这项研究中，研究人员采用密度泛函理论（DFT）方法计算了22种不同G相化学物质的形成能、晶格参数和弹性常数。另外，还计算了Al、Cr、Cu、Fe、Ge、Hf、Mo、Nb、P、Ta、Ti、V、Zr和空位取代Mn6Ni16Si7的G相位置择优方面。测试了非化学计量比的G相Fex+y+zMn6-xNi16-ySi7-z，并与相同成分的体心立方（BCC）结构进行了比较。结果发现，d轨道的占有率与每个结构的形成焓相关，利用过去的热膨胀系数数据预测每个G相和体心立方（BCC）Fe之间的晶格失配，除了含Hf和Zr的G相外，所有的G相之间都预测为零失配。不仅如此，还利用了热力学计算及实验相结合的方法预测了FebalCr9Ni4Si2 (Mn0.6Zr0.4)1.2（at.％）混合物在室温下能够产生优异的G相强化铁合金。

图1. 116个原子的立方G相晶胞晶格位置 Mn(紫色)、Ni1(深灰色)、Ni2(浅灰色)、Si1(深蓝色)和Si2(浅蓝色)

图2.从体心立方Fe到Mn(第一列)的每个元素的替代能

在G相和体心立方结构的116个和128个原子晶胞中，分别用14个Fe取代Mn(圆形)、Ni(正方形)和Si(开放三角形)晶格位置，并对每个晶格位置进行了10次随机化。对固定成分Fe3.5Mn6Ni16Si3.5进行了计算模拟，其中Fe置换Mn，Mn占据Si位(左开口三角形)，Fe置换Ni，Ni占据Si位(右开口三角形)。

图3.含有G相(左阴影区)和BCC(右阴影区)组成的Fe-Mn-Ni-Si的生成焓和晶格参数

图4. FebalCr9Ni3Si3(Mn0.5Zr0.5)1.2at.%系统中的双G相+体心立方Fe相的形成区域

下图FebalCr9Ni4Si2(Mn0.6Zr0.4)1.2 合金TEM暗场图像。从图中可以观察到板条马氏体具有较高的位错密度，这是由于合金从高温(1475K)奥氏体开始淬火所致。观察到直径约1 nm的细小析出物弥散分布在马氏体相中。该区域的选区电子衍射图显示了具有立方-立方取向的G相结构和体心立方相的双重衍射图样。

图5. FebalCr9Ni4Si2(Mn0.6Zr0.4)1.2 合金在773K时效24小时后的TEM暗场图像(a)低倍率；(b)高倍率，其中(b)取自(c)中的040G点(虚圈)；(c)选定区域电子衍射图

综上所述，该项研究设计并测试了一种新的铁合金FebalCr9Ni4Si2 (Mn0.6Zr0.4)1.2at.％，该合金成分加速了作为增强相G相的形成，与体心立方铁基体粘结，避免了Laves相的析出。另外部分某些元素的作用对于G相形成的可预测性和控制性是非常重要的，充分展现了但G相对稳定性和晶格失配的影响，以及为石油、化工和核工业等领域的铁合金的发展奠定了理论基础。