马普所Nat. Commun.：调幅波动的存在被Fe-Mn合金中晶体缺陷处的形核证明

【引言】

调峰分解和偏析是两种相形成机理。对于固态相转变，晶界偏析经常作为一种相转变。实验和理论研究发现，表面的偏析可能导致溶质富集，引发调幅分解。也有人研究发现，表面的相形核转变的原因是合金内含有缺陷。同时调幅分解，不能揭示晶体结构中的方向性改变。因此本文采用原子探针成像（APT），观察了晶界上调幅分解和位错的形成。

【成果简介】

近日，马克斯·普朗克铁研究所的A. Kwiatkowski da Silva（通讯作者）等人，研究发现，固体和液态材料结构的分析和设计需要理解结构、成分和性能之间的关系。位错和晶界影响原子扩散，促进异质形核，进而控制显微结构的演变。因为形核过程中原子必须克服一定的能垒。吸附和调幅分解是形核和相转变的前驱态，但是形核形成微观结构的热力学过程还没有被完全理解。本文研究了近原子尺度的相变机理；Fe-Mn模型合金的线性和平面调幅分解导致溶质析出和晶体缺陷。在溶质含量较高的区域，相变驱动力增大，这些波动为奥氏体形核提供了一条途径。本文的研究以热力学计算为基础，这预测调幅分解由于磁有序的可能性。相关成果以“Phase nucleation through confined spinodal fluctuations at crystal defects evidenced in Fe-Mn alloys”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1 ATP中Mn原子的位错分析

450℃、6小时时，ATP中Mn原子的位错分析：

（a）12.5 at. %的Mn原子的等浓度面（标尺为40 nm）；

（b）是（a）中紫色虚线内的放大图（标尺为30 nm）；

（c）是（b）中两个位错的一维组成剖面。

图2 450℃、6小时，ATP中Mn原子的晶界分析

450℃、6小时，ATP中Mn原子的晶界分析：

（a）12.5 at. %的Mn原子的等浓度面（标尺为40 nm）；

（b，c，d）是（a）中，蓝色、紫色和绿色的区域探测器图；

（e）是（a）红色区域的原子的等浓度面（标尺为10 nm）；

（f）是（a）蓝色区域的晶界平面内浓度分析。

图3 体心立方的大块Fe-Mn系统的热力学计算

（a）不同温度下，Mn化学势与摩尔分数的函数关系；

（b）Mn摩尔分数与吉布斯自由能函数关系的二阶导数；

（c）300℃下，体心立方和面心立方相的吉布斯自由能；

（d）Fe-Mn大块相的化学调幅分布图。

图4 240℃、24小时，ATP中Mn原子的晶界分析

（a）2.5 at. %的Mn原子探针的等浓度面图（标尺为80 nm）；

（b）晶界横截面的Mn原子探针的等浓度面（标尺为2 nm）；

（c）晶界横截面的Mn原子探针的化学成分（标尺为5 nm）；

（d）晶界的平面成分分析（标尺为10 nm）。

图5 模拟和实验结果对比图

（a，c）连续卡恩-希利亚德方程的二维调幅分解图；

（b，d）APT分析的实验中的二维调幅分解图。

图6 合金的扩散分析图

450℃、6小时和2个月的合金的扩散分析图：

（a，b）450℃、6h，Fe-9Mn合金的TKD分析；

（c，d）450℃、2个月，Fe-9Mn合金的EBSD分析。

图7 奥氏体成分对比图

450℃、6小时和2个月的合金的奥氏体成分分析图：

（a）Fe-9Mn中Mn的固溶度的APT分析；

（b）实验获得圆柱体的一维成分剖面

（c）奥氏体开始形核生长时的APT结构重建分析；

（d）实验数据中Fe-9Mn中Mn的固溶度。

图8 450℃、2个月退火后，合金的ATP结果

（a）奥氏体晶粒开始生长时，APT结构重整和二维成分分布图；

（b）沿着（a）中的棒方向的一维成分图；

（c）Fe-9Mn体心立方基体中，奥氏体形成的不同驱动力。

【小结】

本文将实验和理论结合相结合，揭示了调幅分解的存在；证明了结构缺陷（位错）和偏析是调幅分解的驱动力。研究发现，偏析有助于调幅分解的分析，有助于形核理论的研究。由于调幅分解的自然转变，导致合成处于亚稳态，即平衡界面态。大部分的热力学分析中，固态相中含有正的混合焓，低温下含有混合隙，这能够促进一个相近相的形核和长大。现在于低温条件下，许多合金存在调幅分解。本文这种热力学理论和实验分析能够为其他合金的研究提供指导。

文献链接："Phase nucleation through confined spinodal fluctuations at crystal defects evidenced in Fe-Mn alloys" （Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03591-4）。

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