MIT新发现: 热稳定相变纳米晶合金中的高温诱发细晶现象

【引言】

晶粒生长在自然界无处不在，也是材料科学中最普遍的主题之一。在晶体材料中，晶粒生长起源于本征能量损耗，驱使材料消除晶界，得到热力学占优的单晶相。晶粒生长的一大特点是其单一性，在特定温度下随时间增长，至于晶粒生长与时间和温度相关性的细节迥异复杂。

【成果简介】

近日，美国麻省理工学院的Dor Amram博士（通讯作者）在Physical Review Letters上发表了题为“Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy”的文章。晶态材料的晶粒通常会随温度增加而长大。典型的再结晶现象可能会导致暂时的晶粒尺寸减小，而近期合金设计可以使晶粒停滞生长的纳米晶材料趋于热力学稳定。但晶粒并未收缩，因此在高温下，考虑到热力学趋势，会缺少降低晶粒尺寸从而使界面生成的机制。本文中，作者通过设计同素异形相转变的纳米晶合金，回避了界面生成这一范式。作者证明在Fe-Au合金经历α↔ γ 转变循环，高温相具有稳定的比低温相更细的晶粒。

【图文导读】

图1：晶粒生长的示意图。

图2：纳米晶稳定性分布图。

图3：Fe₉₅Au₅纳米晶中的原位晶粒生长和相转变。

(a)α-Fe和γ-Fe的晶粒尺寸随时间的变化情况；

(b)带有Au纳米偏析物的α-Fe显微结构及其转变为γ-Fe的示意图。

图4：不同纳米晶合金中晶粒尺寸随转变过程退火温度变化情况的汇总比较。

【小结】

纳米晶Fe-Au合金的反直觉行为回避了晶粒生长的常规范式：通过将再结晶类似的事件（相转变）和稳定纳米晶合金设计标准相结合，可在高温下得到一个更低且稳定的晶粒大小。相转变使体系焕然一新，得到新的平衡晶粒尺寸，比前述的确定溶质的低温相尺寸更小。作者证明这一行为可以循环多次，因此该方法通过晶界偏析提供了一个纳米晶热力学稳定性的临界测试。同时，还使得不同溶质的合金设计中部分或全部相稳定，从而可在较宽的温度范围内保持纳米晶相。这种合金可在较高温度下表现出优异的力学性能，可能优于低温下的性质。基于所观察的Fe-Au晶粒长大，可推知合金通过转变在高温下显著强化，通过在转变温度周围的循环处理，力学性能可以得到重复性切换。这是一项可应用于高温而不需要耐火材料的新方案。

文献链接：Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.121.145503）

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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