馬普所Nat. Commun.：調幅波動的存在被Fe-Mn合金中晶體缺陷處的形核證明

【引言】

調峰分解和偏析是兩種相形成機理。對于固態相轉變，晶界偏析經常作為一種相轉變。實驗和理論研究發現，表面的偏析可能導致溶質富集，引發調幅分解。也有人研究發現，表面的相形核轉變的原因是合金內含有缺陷。同時調幅分解，不能揭示晶體結構中的方向性改變。因此本文采用原子探針成像（APT），觀察了晶界上調幅分解和位錯的形成。

【成果簡介】

近日，馬克斯·普朗克鐵研究所的A. Kwiatkowski da Silva（通訊作者）等人，研究發現，固體和液態材料結構的分析和設計需要理解結構、成分和性能之間的關系。位錯和晶界影響原子擴散，促進異質形核，進而控制顯微結構的演變。因為形核過程中原子必須克服一定的能壘。吸附和調幅分解是形核和相轉變的前驅態，但是形核形成微觀結構的熱力學過程還沒有被完全理解。本文研究了近原子尺度的相變機理；Fe-Mn模型合金的線性和平面調幅分解導致溶質析出和晶體缺陷。在溶質含量較高的區域，相變驅動力增大，這些波動為奧氏體形核提供了一條途徑。本文的研究以熱力學計算為基礎，這預測調幅分解由于磁有序的可能性。相關成果以“Phase nucleation through confined spinodal fluctuations at crystal defects evidenced in Fe-Mn alloys”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 ATP中Mn原子的位錯分析

450℃、6小時時，ATP中Mn原子的位錯分析：

（a）12.5 at. %的Mn原子的等濃度面（標尺為40 nm）；

（b）是（a）中紫色虛線內的放大圖（標尺為30 nm）；

（c）是（b）中兩個位錯的一維組成剖面。

圖2 450℃、6小時，ATP中Mn原子的晶界分析

450℃、6小時，ATP中Mn原子的晶界分析：

（a）12.5 at. %的Mn原子的等濃度面（標尺為40 nm）；

（b，c，d）是（a）中，藍色、紫色和綠色的區域探測器圖；

（e）是（a）紅色區域的原子的等濃度面（標尺為10 nm）；

（f）是（a）藍色區域的晶界平面內濃度分析。

圖3 體心立方的大塊Fe-Mn系統的熱力學計算

（a）不同溫度下，Mn化學勢與摩爾分數的函數關系；

（b）Mn摩爾分數與吉布斯自由能函數關系的二階導數；

（c）300℃下，體心立方和面心立方相的吉布斯自由能；

（d）Fe-Mn大塊相的化學調幅分布圖。

圖4 240℃、24小時，ATP中Mn原子的晶界分析

（a）2.5 at. %的Mn原子探針的等濃度面圖（標尺為80 nm）；

（b）晶界橫截面的Mn原子探針的等濃度面（標尺為2 nm）；

（c）晶界橫截面的Mn原子探針的化學成分（標尺為5 nm）；

（d）晶界的平面成分分析（標尺為10 nm）。

圖5 模擬和實驗結果對比圖

（a，c）連續卡恩-希利亞德方程的二維調幅分解圖；

（b，d）APT分析的實驗中的二維調幅分解圖。

圖6 合金的擴散分析圖

450℃、6小時和2個月的合金的擴散分析圖：

（a，b）450℃、6h，Fe-9Mn合金的TKD分析；

（c，d）450℃、2個月，Fe-9Mn合金的EBSD分析。

圖7 奧氏體成分對比圖

450℃、6小時和2個月的合金的奧氏體成分分析圖：

（a）Fe-9Mn中Mn的固溶度的APT分析；

（b）實驗獲得圓柱體的一維成分剖面

（c）奧氏體開始形核生長時的APT結構重建分析；

（d）實驗數據中Fe-9Mn中Mn的固溶度。

圖8 450℃、2個月退火后，合金的ATP結果

（a）奧氏體晶粒開始生長時，APT結構重整和二維成分分布圖；

（b）沿著（a）中的棒方向的一維成分圖；

（c）Fe-9Mn體心立方基體中，奧氏體形成的不同驅動力。

【小結】

本文將實驗和理論結合相結合，揭示了調幅分解的存在；證明了結構缺陷（位錯）和偏析是調幅分解的驅動力。研究發現，偏析有助于調幅分解的分析，有助于形核理論的研究。由于調幅分解的自然轉變，導致合成處于亞穩態，即平衡界面態。大部分的熱力學分析中，固態相中含有正的混合焓，低溫下含有混合隙，這能夠促進一個相近相的形核和長大。現在于低溫條件下，許多合金存在調幅分解。本文這種熱力學理論和實驗分析能夠為其他合金的研究提供指導。

文獻鏈接："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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