Acta Mater.：纳米晶体Fe-Mg合金中热力学和动力学稳定机制之间的相互作用

【引言】

传统上, 热稳定纳米金属颗粒的机制生长被称为“动力学”或“热力学”。研究这种“力”的一种一般方法是引入第二相粒子或“沉淀物粒子”, 这是一种由史密斯提出的现象, 通常被称为“Zener阻力”。对于粒子大小和体积分数的某些组合, Zener的拖动可以有效地在许多不同的材料系统中确定GB网络。然而, 这种沿用数十年的方法的缺点在NC材料中被放大了, 因为一个同质的分布需要纳米尺度的粒子来确定它们的GBs;非固有地添加纳米粒子可以在处理过程中凝聚成团, 而沉淀反应则需要热循环。粒子和基质之间界面的特性和质量也会影响机械性能, 即使他们成功地稳定了一个晶粒的大小。在任何情况下, 稳定性都达到了这个程度, 如果粒子在热接触中变粗, 那么这种方式就会是暂时的。不过, 很明显作为几种不同的合金系统, 此法可以在数控材料中应用。且与金属间化合物一样, 纳米粒子已经得到了有效的稳定。动能稳定也可以通过用溶质原子来溶解, 从而产生“溶质拖”。这种方法的目的是减少GBs的能量, 从而影响晶粒长大的总动力。用合金化添加的液体微乳液热稳定化是由Ruckenstein在近40年前提出。Weissmüller 把这个概念翻译成多晶固体, 即通过将溶质分离为GBs,以减少或减少在封闭的系统中完全消除GB的多余能量。然而, 理想的“微乳状热”的情况是纯热稳定的。大多数分离的合金元素倾向于沉淀解决方案, 或者作为第二个固体溶液的第二相, 作为有序的金属间化合物, 或者更多在一般情况下,由于污染物的污染, 氧化物和碳化物会无意被产生。然而, 热力学和动力学稳定机制还没有被详细研究。为了更好地利用这两种机制可以使新的战略适应同时多个属性(e.g.低温强度和高温蠕变下电阻)从而对颗粒的精细和沉淀的大小控制。

【成果简介】

纳米金属合金热稳定性的机制通常是被归类为“动力学”或“热力学”。尽管两者都应该被普遍认为同时表现出来, 可是其有时采取建设性的行动, 有时采取竞争生长方式。这项工作的主要目的是对球磨铁-镁合金的热稳定性进行了定量研究。用氧化膜边界对晶粒两边进行隔离, 并使用纳米级细胞的Zener固定稳定机制来评估它们的相对效力, 还探索了它们之间的相互作用力。最后,我们研究了合金的配置和组分变化时的热稳定性, 退火时间, 温度和大气的相互影响。在原子中尺度上, 研究了两种晶粒在x射线衍射过程中,晶粒通过原位退火的生长, 对氧化物的演变进行了电子显微镜和原子探针层析成象跟踪分析。在纳米尺度上, 也对晶粒边界也进行了化学探测检验。这些结论提出了在一个统一的范围内对颗粒和氧化物的大小进行控制的方法, 此结论可以帮助详细说明纳米晶合金的未来设计发展空间。最后, 我们提出了在球磨过程中热稳定性和氧化物在NC-铁-镁合金中演化进程的现场研究。这些镁成分在15 - 20之间的合金表现出异常的热稳定性——晶粒直径50nm的晶粒可以在退火后在900摄氏度保温12h(或者是纯铁的熔点, 甚至高于Mg的熔点)被保留下来。而在退火过程中, 纯的铁完全粗化。用烧结方法将粉末烧结成完全致密的数控合金, 使其具有优异的理论强度, 这样的方式是可行的。这些之间的相互作用可能解释了我们不同寻常的结果,我们确定了两种机制之间的主要相互作用:溶解范围和氧化镁的相互交换;即随着时间的推移, MgO会减少GB区域的面积。该成果以“Interplay between thermodynamic and kinetic stabilization mechanisms in nanocrystalline Fe-Mg alloys”为题于2017年11月7日发表在Acta Materialia上，通讯作者是麻省理工学院的DorAmram。

【图文导读】

图1.球磨粉末

(a)从一种球磨的Fe-15Mg 粉末中提取属于a-Fe固溶体反射出的XRD图像。此合金(b)的BF TEM和(c) HRTEM显微图像, 一些晶粒在暗对比中显示出来, 并以虚线标志。

图2.原位XRD退火

(a)在衍射仪中，在一定时间内进行退火, 短和长的红色标记分别表示记录窄和宽衍射模式的时间间隔。

(b) 颗粒大小是磨碎的Fe和Fe-15Mg粉末在不同温度下的退火时间的函数。图像也显示了Fe-15Mg粉末的退火状态。而且在这种测量条件下, 给出了衍射仪的分辨率极限。

(c) 第一个(b)数据的导数用虚线表示晶粒生长速度, 虚线和实线分别在Ar和Ar-h2中分别对Fe和Fe-15Mg进行了退火。

(d-f) 退火后的铁和铁-15Mg粉末的BF TEM显微图。

图3.粒径趋势

从原位XRD数据中获得的颗粒大小作为(a) 的成分函数, 表示了两个退火温度(600°C和900°C)。(b) 的温度以一种成分, 即 5 at.% 的Mg呈现函数关系表现。数据的组成和温度分别用0.1。%和0.5°C插值表示。插入数据以平均(a)所有的温度和(b)所有的成分并且都以实线表示。

【小结】

在这个系统中控制热稳定性, 我们通过测量GB的隔离和动力学稳定(溶质和Zener的阻力)和通过研究晶粒生长和氧化镁的动力学, 以及随后的MgO增长, 评估了热力学的贡献。

文献链接：Interplay between thermodynamic and kinetic stabilization mechanisms in nanocrystalline Fe-Mg alloys(Acta Materialia, 2017, DOI:10.1016/j.actamat.2017.11.014)

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