Mechanism of Embrittlement of Metals by Surface-Active Elements

Abstract

The nature of mechanical degradation of metals caused by surface-active elements is studied based on the effects of iodine and gallium in austenitic steels and using ab initio calculations and experimental measurements of electronic structure, X-ray diffraction, mechanical spectroscopy, and mechanical tests. A significant increase in the density of electron states at the Fermi level for iodine in f.c.c. iron is shown that is in consistent with the measurements of the increased concentration of free electrons caused by iodine in austenitic steels. Consequently, the increase in mobility of dislocations by iodine and gallium in austenitic steels is revealed. The localization of the enhanced plastic deformation is discussed as a condition for brittleness. The obtained results are at variance with the widely spread opinion about the determining role of surface energy in a liquid-metal brittleness and, instead, are interpreted based on the correlation between atomic interactions and dislocation properties. Applicability of the available HELP and AIDE hypotheses is discussed.Key words: f.c.c. iron, austenitic steel, surfactants, electronic structure, dislocations, mechanical properties.Природу механічної деґрадації металів, яку спричинено дією поверхнево- Ключові слова: ÃЦÊ-çаліçо, аустенітна сталü, сурôактанти, електронна структура, дислокації, механічні властивості.Природа механическоé деградации металлов, обусловленноé поверхност-но-активнûми элементами, бûла иçучена, основûваясü на влиянии éода и галлия на аустенитнûе стали и исполüçуя ab initio-расчётû и эксперимен-талüнûе исследования электронноé структурû, рентгеновскую диôрак-цию, механическую спектроскопию и механические испûтания. Покаçа-но существенное повûøение плотности электроннûх состояниé на уровне Ôерми в случае éода в ÃЦÊ-желеçе, что согласуется с иçмерениями, в ко-торûх бûла çаôиксирована повûøенная концентрация свободнûх элек-тронов, вûçванная éодом в аустенитнûх сталях. Êак следствие, установ-лено повûøение мобилüности дислокациé, вûçванное éодом и галлием в аустенитнûх сталях. Îбсуждается ролü локалиçации повûøенноé пла-стическоé деôормации в качестве условия хрупкости. Полученнûе ре-çулüтатû противоречат øироко распространённому мнению об определя-ющеé роли поверхностноé энергии в жидкометаллическоé хрупкости и, вместо этого, интерпретируются, основûваясü на корреляции между атомнûми вçаимодеéствиями и дислокационнûми своéствами. Îбсужда-ется применимостü гипотеç HELP и AIDE.Ключевые слова: ÃЦÊ-желеçо, аустенитная сталü, сурôактантû, элек-тронная структура, дислокации, механические своéства.