Acta Mater.：納米晶體Fe-Mg合金中熱力學和動力學穩定機制之間的相互作用

【引言】

傳統上, 熱穩定納米金屬顆粒的機制生長被稱為“動力學”或“熱力學”。研究這種“力”的一種一般方法是引入第二相粒子或“沉淀物粒子”, 這是一種由史密斯提出的現象, 通常被稱為“Zener阻力”。對于粒子大小和體積分數的某些組合, Zener的拖動可以有效地在許多不同的材料系統中確定GB網絡。然而, 這種沿用數十年的方法的缺點在NC材料中被放大了, 因為一個同質的分布需要納米尺度的粒子來確定它們的GBs;非固有地添加納米粒子可以在處理過程中凝聚成團, 而沉淀反應則需要熱循環。粒子和基質之間界面的特性和質量也會影響機械性能, 即使他們成功地穩定了一個晶粒的大小。在任何情況下, 穩定性都達到了這個程度, 如果粒子在熱接觸中變粗, 那么這種方式就會是暫時的。不過, 很明顯作為幾種不同的合金系統, 此法可以在數控材料中應用。且與金屬間化合物一樣, 納米粒子已經得到了有效的穩定。動能穩定也可以通過用溶質原子來溶解, 從而產生“溶質拖”。這種方法的目的是減少GBs的能量, 從而影響晶粒長大的總動力。用合金化添加的液體微乳液熱穩定化是由Ruckenstein在近40年前提出。Weissmüller 把這個概念翻譯成多晶固體, 即通過將溶質分離為GBs,以減少或減少在封閉的系統中完全消除GB的多余能量。然而, 理想的“微乳狀熱”的情況是純熱穩定的。大多數分離的合金元素傾向于沉淀解決方案, 或者作為第二個固體溶液的第二相, 作為有序的金屬間化合物, 或者更多在一般情況下,由于污染物的污染, 氧化物和碳化物會無意被產生。然而, 熱力學和動力學穩定機制還沒有被詳細研究。為了更好地利用這兩種機制可以使新的戰略適應同時多個屬性(e.g.低溫強度和高溫蠕變下電阻)從而對顆粒的精細和沉淀的大小控制。

【成果簡介】

納米金屬合金熱穩定性的機制通常是被歸類為“動力學”或“熱力學”。盡管兩者都應該被普遍認為同時表現出來, 可是其有時采取建設性的行動, 有時采取競爭生長方式。這項工作的主要目的是對球磨鐵-鎂合金的熱穩定性進行了定量研究。用氧化膜邊界對晶粒兩邊進行隔離, 并使用納米級細胞的Zener固定穩定機制來評估它們的相對效力, 還探索了它們之間的相互作用力。最后,我們研究了合金的配置和組分變化時的熱穩定性, 退火時間, 溫度和大氣的相互影響。在原子中尺度上, 研究了兩種晶粒在x射線衍射過程中,晶粒通過原位退火的生長, 對氧化物的演變進行了電子顯微鏡和原子探針層析成象跟蹤分析。在納米尺度上, 也對晶粒邊界也進行了化學探測檢驗。這些結論提出了在一個統一的范圍內對顆粒和氧化物的大小進行控制的方法, 此結論可以幫助詳細說明納米晶合金的未來設計發展空間。最后, 我們提出了在球磨過程中熱穩定性和氧化物在NC-鐵-鎂合金中演化進程的現場研究。這些鎂成分在15 - 20之間的合金表現出異常的熱穩定性——晶粒直徑50nm的晶粒可以在退火后在900攝氏度保溫12h(或者是純鐵的熔點, 甚至高于Mg的熔點)被保留下來。而在退火過程中, 純的鐵完全粗化。用燒結方法將粉末燒結成完全致密的數控合金, 使其具有優異的理論強度, 這樣的方式是可行的。這些之間的相互作用可能解釋了我們不同尋常的結果,我們確定了兩種機制之間的主要相互作用:溶解范圍和氧化鎂的相互交換;即隨著時間的推移, MgO會減少GB區域的面積。該成果以“Interplay between thermodynamic and kinetic stabilization mechanisms in nanocrystalline Fe-Mg alloys”為題于2017年11月7日發表在Acta Materialia上，通訊作者是麻省理工學院的DorAmram。

【圖文導讀】

圖1.球磨粉末

(a)從一種球磨的Fe-15Mg 粉末中提取屬于a-Fe固溶體反射出的XRD圖像。此合金(b)的BF TEM和(c) HRTEM顯微圖像, 一些晶粒在暗對比中顯示出來, 并以虛線標志。

圖2.原位XRD退火

(a)在衍射儀中，在一定時間內進行退火, 短和長的紅色標記分別表示記錄窄和寬衍射模式的時間間隔。

(b) 顆粒大小是磨碎的Fe和Fe-15Mg粉末在不同溫度下的退火時間的函數。圖像也顯示了Fe-15Mg粉末的退火狀態。而且在這種測量條件下, 給出了衍射儀的分辨率極限。

(c) 第一個(b)數據的導數用虛線表示晶粒生長速度, 虛線和實線分別在Ar和Ar-h2中分別對Fe和Fe-15Mg進行了退火。

(d-f) 退火后的鐵和鐵-15Mg粉末的BF TEM顯微圖。

圖3.粒徑趨勢

從原位XRD數據中獲得的顆粒大小作為(a) 的成分函數, 表示了兩個退火溫度(600°C和900°C)。(b) 的溫度以一種成分, 即 5 at.% 的Mg呈現函數關系表現。數據的組成和溫度分別用0.1。%和0.5°C插值表示。插入數據以平均(a)所有的溫度和(b)所有的成分并且都以實線表示。

【小結】

在這個系統中控制熱穩定性, 我們通過測量GB的隔離和動力學穩定(溶質和Zener的阻力)和通過研究晶粒生長和氧化鎂的動力學, 以及隨后的MgO增長, 評估了熱力學的貢獻。

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

本文由材料人編輯部付鈺編輯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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