MIT新發現: 熱穩定相變納米晶合金中的高溫誘發細晶現象

【引言】

晶粒生長在自然界無處不在，也是材料科學中最普遍的主題之一。在晶體材料中，晶粒生長起源于本征能量損耗，驅使材料消除晶界，得到熱力學占優的單晶相。晶粒生長的一大特點是其單一性，在特定溫度下隨時間增長，至于晶粒生長與時間和溫度相關性的細節迥異復雜。

【成果簡介】

近日，美國麻省理工學院的Dor Amram博士（通訊作者）在Physical Review Letters上發表了題為“Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy”的文章。晶態材料的晶粒通常會隨溫度增加而長大。典型的再結晶現象可能會導致暫時的晶粒尺寸減小，而近期合金設計可以使晶粒停滯生長的納米晶材料趨于熱力學穩定。但晶粒并未收縮，因此在高溫下，考慮到熱力學趨勢，會缺少降低晶粒尺寸從而使界面生成的機制。本文中，作者通過設計同素異形相轉變的納米晶合金，回避了界面生成這一范式。作者證明在Fe-Au合金經歷α? γ 轉變循環，高溫相具有穩定的比低溫相更細的晶粒。

【圖文導讀】

圖1：晶粒生長的示意圖。

圖2：納米晶穩定性分布圖。

圖3：Fe₉₅Au₅納米晶中的原位晶粒生長和相轉變。

(a)α-Fe和γ-Fe的晶粒尺寸隨時間的變化情況；

(b)帶有Au納米偏析物的α-Fe顯微結構及其轉變為γ-Fe的示意圖。

圖4：不同納米晶合金中晶粒尺寸隨轉變過程退火溫度變化情況的匯總比較。

【小結】

納米晶Fe-Au合金的反直覺行為回避了晶粒生長的常規范式：通過將再結晶類似的事件（相轉變）和穩定納米晶合金設計標準相結合，可在高溫下得到一個更低且穩定的晶粒大小。相轉變使體系煥然一新，得到新的平衡晶粒尺寸，比前述的確定溶質的低溫相尺寸更小。作者證明這一行為可以循環多次，因此該方法通過晶界偏析提供了一個納米晶熱力學穩定性的臨界測試。同時，還使得不同溶質的合金設計中部分或全部相穩定，從而可在較寬的溫度范圍內保持納米晶相。這種合金可在較高溫度下表現出優異的力學性能，可能優于低溫下的性質。基于所觀察的Fe-Au晶粒長大，可推知合金通過轉變在高溫下顯著強化，通過在轉變溫度周圍的循環處理，力學性能可以得到重復性切換。這是一項可應用于高溫而不需要耐火材料的新方案。

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

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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