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                    西工大《Scripta》:晶粒細化對納米晶鐵合金相變動力學的影響

                    關鍵詞 晶粒細化 , 納米晶鐵合金相變動力學|2022-09-14 10:22:01|技術信息|來源 材料科學與工程
                    摘要 編輯推薦:基于晶界(GB)在促進非均相形核中的作用的傳統擴散相變(PTs)任務微米尺度上晶粒尺寸的減小往往會加速整體相變動力學,即一個經典現象—越小越快。文章通過研究納米晶Fe-N...

                           編輯推薦:基于晶界(GB)在促進非均相形核中的作用的傳統擴散相變(PTs)任務微米尺度上晶粒尺寸的減小往往會加速整體相變動力學,即一個經典現象—越小越快。文章通過研究納米晶Fe-Ni基合金加熱時鐵素體(α)到奧氏體(γ)的轉變,研究證明,在納米尺度上細化晶粒尺寸會導致更慢的動力學—越小越慢?;趯嶒灧治龊拖鄨鼍w模擬,納米顆粒材料中出現的這種較慢的動力學現象是由于GB對新相生長的抑制作用強于對成核的促進作用。這一新的發現重塑了我們對PTs尺寸依賴機制的看法,并為通過細化晶粒設計PTs提供了有用的指導。

                           晶界(GBs)是材料中最常見的平面缺陷,在固體相變(PTs)中起著至關重要的作用。一般來說,GB以高能狀態存在,它們通過形成原子核而被消除提供了一個熱力學能量源,可以補償成核所需的一些能量成本。眾所周知,GB是非均相成核的較好位點,其成核勢壘比均相成核的低。一般認為,隨著GB體積分數的增加,晶粒尺寸的減小提供了更多的成核位點,產生了快速的轉化動力學,這是“越小越快”的經典現象。然而,在界面控制的PTs中,長程溶質擴散不會發生,GB調節溶質再分配的作用是不存在的。

                           西工大研究員研究了Fe-Ni基合金在高壓扭轉(HPT)加工過程中連續加熱時界面控制的α/γ相變變。有趣的是,他們發現納米尺度的晶粒細化可以導致更慢的相變動力學(即,越小越慢)。這似乎與通常在微米尺度的材料中觀察到的“越小越快”的趨勢相矛盾。在此基礎上,他們討論了從納米晶到粗晶晶材料,GB在PTs中的作用。相關論文以題“Grain refinement tailoring the kinetics of phase transformation in nanograined Fe alloy: Smaller is slower”發表在Scripta Materialia。

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                           隨著HPT處理樣品中進一步轉化的進行,抑制的動力學是出乎意料的。這種緩慢的動力學被發現與尺寸有關,即初始晶粒尺寸越小,轉化動力學越慢,這可以稱為所謂的“越小越慢”。這一結果與“越小越快”的傳統觀點形成鮮明對比,即具有精制晶粒尺寸的材料表現出加速的轉化動力學,主要是因為GB的數量越多,帶來更多的非均質成核位點。

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                           與XRD結果一致,HPT處理的樣品的晶粒尺寸增加,但在加熱時保持在超細尺度。HPT處理樣品中異常延長的α/γ轉化行為必須源于GBS的影響。

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                           HPT處理的樣品中PB遷移的速度確實比CG樣品中的PB遷移速度小得多,在整個轉化過程中,PB遷移速度幾乎恒定,這是大規模轉化的典型特征。在精細尺度材料的情況下,極大規模的GB群體往往會引起GB與PB遷移之間的劇烈相互作用,凸顯了GB對PB遷移的屏障的重要性。因此,盡管HPT處理的樣品中的大部分GB在轉化過程中可以作為豐富的成核位點發揮作用(如圖1b所示,其中最初觀察到更快的動力學),但它也可能誘導以較高Q為特征的抑制生長行為。鉛.后一種效應是導致在這些樣品中觀察到的α/γ轉化動力學減慢的原因。

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                           GB在擴散性PT中起著雙重作用:它們要么充當加速PT的成核位點(即主動作用),要么充當延緩PT的“束縛    中心”(即負作用)。這兩種作用相互競爭,影響隨著晶粒尺寸減小的動力學總體變化,最終使相變動力學的尺寸依賴性發生逆轉。對于粗晶粒材料,GB的主動作用發揮了主導作用,因此“越小越快”。相比之下,對于通過嚴重塑性變形方法獲得的納米晶粒和超晶粒材料,豐富的非平衡GB可以使其負作用更有效,因此“越小越慢”。

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                           總而言之,這項工作揭示了納米顆粒Fe-8Ni-0.4Nb合金中較慢的α/γ轉化動力學,與粗晶粒合金相比?!霸叫≡铰爆F象歸因于大量GB引起的抑制增長行為。在此基礎上,研究結果為理解GB在擴散PT中所起的雙重作用提供了新的線索,即充當新相形成的異質成核位點,并作為相發育的束縛中心(屏障)。

                     

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