金属材料前沿综述成果精选【第1期】

1、Acta Mater.综述：透射电子显微镜对AA7050铝合金分离成核和原位成核的研究

图1 CAF样品沿区域轴的相同区域连续框架的TEM显微照片

AA7050 Al-Zn-Mg-Cu合金因其重量轻，强度高而广泛应用于航空航天工业。其机械性能主要取决于纳米尺度的析出物，之前已经探索了相应的沉淀硬化模型。 过饱和固溶体→GP区→η'析出物→η析出物的沉淀序列是众所周知的。然而，GP区→η'和η'→η沉淀物的精确转变机制尚未阐明。近日，台湾大学Jer-Ren Yang和Yo-LunYang（共同通讯作者）等人通过利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和纳米尺度能量色散X射线（EDX）研究了Al-Zn-Mg-Cu合金AA区域中的GP区→η'→η析出序列的转变机制，连续的原位HRTEM帧显示在相邻的GPII区溶解时，η'沉淀物的分离成核发生在别处。系统地阐述了成核机理及原位转变。

文献链接：Transmission electron microscopy investigation of separated nucleation and in-situ nucleation in AA7050 aluminium alloy（Acta Mater.,2018,DOI：10.1016/j.actamat.2018.02.045）

2、Adv. Mater. 综述：定向凝固过程中经孕育处理的铝合金等轴晶粒的非均匀成核

图2 冷却速率、温度梯度对新晶粒形核影响及微观示意图

通过孕育处理的晶粒细化是降低热撕裂敏感性并改善铝铸件结构均匀性和力学性能的重要技术。近几十年来，接种的细化机理以及不同因素对晶粒细化性能的影响得到了广泛的研究。近日，挪威科技大学Yan jun Li（通讯作者）等人通过原位X射线照相固化研究，实现了对定向凝固过程中非均匀成核和晶粒长大的分离温度梯度效应和冷却速率效应的定量研究。提出一种物理模型来定量说明温度梯度对生长晶粒周围熔体中晶粒异质形核的影响。此外，还预测本实验模型对于其他晶粒生长及环境应用。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 Yan jun Li 的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

文献链接：Revealing the heterogeneous nucleation behavior of equiaxed grains of inoculated Al alloys during directional solidification（Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.058）

3、Adv. Mater.综述：镁溶质运输扩散理论

图3 镁中溶质扩散的活化能差异示意图

镁及其合金具有比铁基或铝基合金更低的密度，能够成为汽车和航空航天工业中轻量化的重要候选材料，从而提高燃料效率。溶质的添加是采用集成计算材料工程ICME方法开发先进镁合金的主要策略。在镁合金中观察到拉伸载荷时的锯齿状流动，是由于通过溶质扩散形成的位错周围存在溶质云。因此，镁的溶质扩散运输对于设计新的镁合金以及了解制造和加工过程中的材料行为至关重要。近日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Dallas R.Trinkle（通讯作者）等人通过开发一种格林函数从初始计算模型空缺介导运输的61个溶质在六角密排堆积镁，确定了Mg晶格中所有对称唯一的空位跳跃，并使用格林函数法精确计算了稀溶质浓度极限下的Onsager系数，同时使用DFT计算的热力学数据。通过预测和对比实验测量结果，分析镁溶质的扩散运输等机理。

文献链接：Ab initio magnesium-solute transport database using exact diffusion theory（Adv.Mater.，2018，DOI: 10.1016/j.actamat.2018.03.025）

4、Adv. Mater.综述：Fe-Si-C合金中铁素体转变过程中的碳富集

图4 GBF /γ接口γ和WF /γ接口的接口C含量示意图

由于工业和理论上的重要性，钢中的奥氏体（γ）向铁素体（α）转变一直是研究最广泛的转变之一。在合金钢中，置换元素（例如硅（Si），锰（Mn），表示为X）和间隙元素（如碳（C））的扩散率通常相差几个数量级。在Ae3温度下相对较大的过冷度下，发生非分区α生长，非分区α生长所需的时间通常与工业上使用的热处理时间尺度相当，因此非分区α变化对工业特别重要。近日，清华大学H.-D. Wu（通讯作者）发表最新研究，研究了Fe-0.4％C-(1.5,3)％Si合金在800〜700℃等温铁素体相变过程中的微观组织演变，转变动力学，特别是C富集。提出两种模型，可忽略的分配局部平衡（NPLE）模型和平衡（PE）模型来描述非分区α生长过程中的α/γ界面条件。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 H.-D. Wu 的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

文献链接：Carbon enrichment during ferrite transformation in Fe-Si-C alloys（Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.040）

5、Acta Mater.综述：用新型晶体塑性有限元模型分析镁合金中的离散孪晶演化

图5 多晶模型的实验和模拟结果的示意图

镁（Mg）合金具有较差的可成形性和延性，与异向机械性能（例如各向异性和低温拉伸-压缩不对称性）相关。复杂的塑性行为是由剧烈的微观本质引起的，这也是造成多晶微观结构发生明显变形孪生的原因。近日，来自约翰霍普金斯大学的Somnath Ghosh教授（通讯作者）等人通过基于图像的晶体塑性有限元模型，并通过显式孪生演化，研究了AZ31镁合金多晶组织的变形和孪生机制。同时基于图像的模拟针对统计，等效的代表性体积元素进行，揭示了模型捕获的各种变形机制。此外，文章也探索了使用三晶和多晶模型探究局部现象和变形机制。

文献链接：Discrete twin evolution in Mg alloys using a novel crystal plasticity finite element model（Acta Mater.，2018，DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.032）

6、Adv.Mater.综述：多相体心立方高熵合金的尺寸依赖塑性和损伤响应

图 6 压痕过程中BCC-HEA晶粒内部的塑性变形示意图

高熵合金（HEAs）已经成为一类新的多组分金属合金，为探索大量成分空间提供了机会，以实现具有多种独特和不寻常特性的组成复杂的材料。近日，格罗宁根大学Indranil Basu（通讯作者）等人使用相关的纳米力学测试，高分辨率显微镜和相分析，研究尺寸依赖性塑性响应。使用包括面心立方（FCC）和体心立方（BCC）结构相的热锻多相Al0.7CoCrFeNi HEA。观察到的塑性行为与由旋节调制微结构和有序硬化效应组合产生的位错硬化机制相关。揭示了从BCC到FCC的结构转变。根据固有组成梯度和相关的缺陷-界面间相互作用来讨论应力引起的微结构演变。

文献链接：Size dependent plasticity and damage response in multiphase body centered cubic high entropy alloys（Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1016/j.actamat.2018.03.015）

7、Nat. Commun.综述：纳米晶合金氧化和分解过程中的原位原子尺度观察研究

图7  TEM图像和原位加热样品的衍射示意图

纳米结构化和合金化是增强块体金属性能的主要措施。氧的污染是金属粉末暴露在空气中以及经过大塑性变形时不可避免的问题。氧对初始粉体的污染会直接改变最终制得的块体材料的微观结构和性能。近日，奥地利科学院Erich Schmid材料研究所的郭金明 (Jinming Guo, 第一作者)和张灶利 (Zaoli Zhang, 共同通讯作者)以及合作者，通过球差校正高分辨透射电子显微镜和相关技术对大塑性变形的Cu-Fe合金中氧的行为进行原子尺度原位研究。他们发现，在原位加热过程中，溶解的氧原子能够在基体晶格中扩散，并且在较低的温度下(60–100 °C)便能够形成氧化物(CuO和Fe2O3)。在继续加热过程中，通过高压扭转溶解的Fe原子也开始从基体分解、成核并且随着温度的升高逐渐长大。研究人员通过原位高分辨像直接观察到了氧化与分解过程，以及所形成的纳米尺度团簇，同时也给出了形成的氧化物、析出的铁团簇与基体的晶格匹配关系。该研究首次实现对氧元素在纳米晶金属合金中热稳定行为的原子尺度观察，为人们提供了利用纳米尺度氧化物弥散分布实现材料强化的思路。

文献链接：In situ atomic-scale observation of oxidation and decomposition processes in nanocrystalline alloys（Nat. Commun.，2018，DOI: 10.1038/s41467-018-03288-8）

8、Phys. Rev. Lett.综述：bcc Fe中单位位错-缺陷相互作用驱动的应变率敏感性异常

图8 应变率ε_和温度T作为应变的位错-障碍物相互作用的动态模型示意图

先进反应堆的设计寿命长，同时在极端温度和辐射条件下运行。中子照射铁素体合金通常包括超饱和缺陷，如自身间隙原子和空位簇。这些缺陷簇与位错之间的相互作用对于理解和预测材料的机械降解如膨胀、蠕变和脆化是至关重要的。近日，美国密歇根大学Yue Fan（通讯作者）等人通过采用基于能量基础的原子建模算法实现验证了bcc Fe中边缘位错与无序空位簇之间的相互作用，该位错在10⁸至10³ s^-1的广泛应变率范围内进行了研究。研究集中在一个bcc Fe系统中CRSS的非单调变化，但其基本原理-即热激活和机械负载之间的复杂相互作用-是适用于许多不同的材料。位错的显微组织演变在不同时间尺度上可能有不同的定性差异。各种机制之间的转换被认为是应变率和热激活的潜在转换。

文献链接：Abnormal Strain Rate Sensitivity Driven by a Unit Dislocation-Obstacle Interaction in bcc Fe（Phys. Rev. Lett.,2018,DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.125504）

9、Nano Lett.综述： 自修复液状氧化铝在室温下变形

图9  氧化物破裂后的动态脆化过程及聚合过程示意图

氧化铝和二氧化硅是用于钝化的特殊氧化物，因为它们在空气中以几纳米厚度的玻璃态存在，及有助于阻止氧化的发生。这些表面玻璃在氧化环境中的机械行为及其初始形成对于理解不仅应力腐蚀开裂，而且有助于薄膜生长和纳米玻璃动力学的研究。近来，中佛罗里达大学Akihiro Kushima等人（通讯作者）等人在O₂气体环境下，通过使用原位透射电子显微镜（TEM）对纯铝纳米纤维拉伸进行研究。研究发现，氧化铝像液体一样变形，并且可以匹配Al的变形，在适度的应变率下没有任何裂缝/裂纹，并以原子分辨率观察氧化铝的自愈过程。在铝上发现氧化铝薄膜的无缝生长有益于探索更好地控制气相沉积薄膜和纳米玻璃中的界面。同时，原位技术将ETEM与纳米级培养基固定器结合起来，被证明是研究SCC和金属初始氧化的有力工具，可以在原子分辨率下观察化学和/或机械诱导的相变。

文献链接：Liquid-Like, Self-Healing Aluminum Oxide during Deformation at Room Temperature（Nano Lett.,2018,DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00068）

10、Nano Lett.综述：等离子体辅助的金属纳米线上单个量子发射体的选择性和超分辨激发研究

图10 QDs-NW系统在宽场激发下的荧光图像及激光束相位增量和QD发射强度关系图

由多个量子发射体与等离子体波耦合组成的混合系统对于未来的集成量子纳米光电路领域是最有前景的构建模块。在衍射极限区域中超级分解和选择性激发连续量子发射体的技术，对于研究等离子体介导的量子发射以及操纵等离子体激元电路中的单等离激元产生和传播具有重要意义。近日，中科院物理所魏红教授（通讯作者）等人通过调整纳米线上表面等离子体激元的干涉场，可控地激发与银纳米线结合的多个量子点。同时还通过一种新的超分辨率成像方法，将纳米线上的可调谐表面等离子体干涉图案与结构化照明显微镜技术相结合。为多量子发射体和等离子体波导的耦合系统提供了一种新颖的高分辨率光激发和成像方法，有利于与等离子体纳米波导和纳米电路结合的多量子发射体的研究。此外，作者还总结了这类实验条件下的应用前景和挑战。

文献链接：Plasmon-Assisted Selective and Super-Resolving Excitation of Individual Quantum Emitters on a Metal Nanowire（Nano Lett.，2018，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05448）

本文由材料人编辑部渡口编译，材料牛整理编辑。

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