美國Ames國家實驗室Acta Materialia：原位發現非晶亞穩態納米晶化過程

【引言】

控制過冷液體的相和形態選擇仍然是材料科學中最大的挑戰之一。在高度過冷的液體/非晶中，與接近液相線溫度相比，原子遷移率可以變化很大。這為亞穩結晶相的形成提供了很大的驅動力。不僅可以出現新的，不可預測的階段，而且較低的移動性也可能導致不尋常的微觀結構。理解和預測遠離平衡的相選擇的熱力學和動力學途徑是一項艱巨的挑戰，因為大多數熱力學模型假設相變發生在熱力學平衡附近。因此，亞穩態相變機制和動力學的實驗測量對于幫助建立可靠模型克服這一挑戰至關重要，原位研究材料轉變是揭示亞穩相選擇的機制和動力學的最佳方法之一。

【成果簡介】

近日，美國能源部Ames國家實驗室staff scientist 周琳（第一作者兼通訊作者）在Acta Materialia 上發表題目為“An Abnormal Meta-stable Nanoscale Eutectic Reaction Revealed by in-situ Observations”的文章。作者使用原位高能X射線衍射（HEXRD）與原位像差校正掃描透射電子顯微鏡發現Al₆₀Sm₁₁（ε相）與其無定形前體的復雜亞穩態晶化，并揭示了其原位生長機制和動力學成因。這種新機制提供了通過亞穩相變制造具有納米沉淀分散體的合金結構的新途徑。

【圖文導讀】

圖一 原位掃描

（a）檢測條件：180℃等溫；晶化表現為多晶型轉變

（b）SAED與TEM表明急冷態的無定型特征

（c）加熱之前急冷態無明顯化學偏析

（d）晶化之后 ~500nm ε相晶粒形成；高密度鏈狀沉淀物混和于ε相間

（e）STEM成像證實這些沉淀物富含Al

圖二 ε相的成核和生長

ε相最初具有均勻的對比度，隨著它長到~25nm，在晶粒內部觀察到一些較暗的對比區域

圖三 無定形區域ε晶粒的逐漸增長

白色箭頭表示富鋁相的位置，而紅色箭頭表示顯示界面穿過兩個富鋁簇的區域。

圖四 ε相和fcc-Al之間的晶體學關系

如白色箭頭所示，衍射圖案中的弧顯示來自fcc-Al

圖五 175℃下fcc-Al，無定形，液體和ε-Al₆₀Sm₁₁相吉布斯自由能計算

計算表明組成x₁ = 0.1附近相的相對穩定性

【小結】

通過使用HEXRD，TEM，STEM和EDS技術的組合實時監測成核和生長過程，揭示了Al₉₀Sm₁₀金屬玻璃中的亞穩異常共晶晶化過程。具有相似組成的無定形基質中的晶體ε相的生長伴隨著在ε/非晶界面處間歇形成納米尺寸的fcc-Al簇。這些納米Al簇改變ε/玻璃界面運動并促進“花椰菜”微結構的產生。觀察到的亞穩相形成序列與其吉布斯自由能一致。本研究中使用的技術為研究散裝材料中亞穩態相轉變至原子分辨率的機制提供了不可替代的方法。

Ames Lab 是美國能源部17個國家實驗室之一。 它位于愛荷華州立大學的校園內，是唯一一個地處美國大學校園的國家實驗室。該實驗室主要從事新材料的合成和研究。2013年1月，能源部宣布在艾姆斯實驗室成立關鍵材料研究所（CMI），其使命是開發解決稀土金屬和其他對美國能源安全至關重要的材料短缺的解決方案。

文獻鏈接：An Abnormal Meta-stable Nanoscale Eutectic Reaction Revealed by?in-situ?Observations(Acta Materialia，2018，DOI: 10.1016/j.actamat.2018.11.027)

本文由材料人編輯部學術組liunian供稿，材料牛編輯整理。

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