浙江大學&西安交大Nature Materials：固態相變初始階段的原子尺度原位觀察

1.研究背景

固態相變被廣泛應用于金屬合金的設計和加工中，對于發展具有理想性能的微結構至關重要。經典的形核和生長機制是從一個新相的成核開始的，該新相核的晶體結構和組成與最終平衡狀態下的相相同。然而，通常使用的平衡相圖并不能解釋許多合金體系中的相變路徑。在演化到產物相之前，有一個或多個中間狀態，這些狀態在成分、晶體結構和化學序方面與產物相明顯不同。中間態是亞穩態，隨著它的演化，它的熱力學性質也會發生變化，包括它與周圍環境的界面能。在這些情況下，形核通常涉及亞穩態相，而亞穩態相甚至沒有出現在所研究的合金體系的平衡相圖中。Cahn和Hilliard在1959年最初提出了這種非經典成核機制，后來預測甚至在有序金屬間化合物的析出過程中也會發生:一個核的組成和序參數可以與具有均勻的產物相組成和序參數的經典核有明顯的不同。最近有報道表明無機納米顆粒在溶液中形成的非經典形核過程，蛋白質的結晶和金剛石晶體的形核以及非晶態碳化鎢的結晶。但是，冶金系統中復雜反應的原子細節仍然是難以捉摸的。鈦基合金廣泛應用于航空航天和生物醫學領域，相結構主要包括低溫密排六方的α相和高溫體心立方的β相。兩相的比例通過合金化β穩定元素(如Mo, Nb, Ta)和α穩定元素(如O, Al, La)來調節。這些合金元素改變了純鈦(882 ℃)的α →β平衡轉變溫度及其擴散動力學，極大地增加了相變的復雜性。

眼見為實。原子尺度和高時間分辨率的原位觀測是明確闡明復雜相變初始階段的最直接的方法。這仍然是一個挑戰，因為合金中的亞穩核尺度在納米量級，壽命通常很短。在這項工作中，以Ti-Mo合金為代表系統，通過原位透射電鏡直接觀察到了原子尺度級別的非經典形核誘導相變。

2. 內容簡介

鈦基合金廣泛應用于航空航天和生物醫學領域，其相結構主要包括呈密排六方的α相和呈體心立方結構的β相，在一定溫度下，β和α相可以相互轉變。正確理解一種新相是如何從其母相演化而來的，對于控制相變微結構和材料性能至關重要。本文通過先進的原位TEM實驗，首次在鈦合金中亞埃尺度級別上觀察到了β和α相變之間產生的新結構隨著時間的變化。在α→β相變的過程中，在α相基體中觀察到納米級的化學有序超結構，它的組成、化學序和晶體結構都與母相和產物相不同，但在轉化為β相時產生了一個極低的能壘。當超結構中的鉬濃度超過一個臨界值時，相變可以通過原子局部振動快速完成。這種非經典的相變機制可能比過去認為的經典固態相變成核更常見。本文的研究加深了人們對鈦合金相變的理解，為正確調控微觀結構提供了理論基礎。相關論文以“Atomic-scale observation of non-classical nucleation-mediated phase transformation in a titanium alloy”為題發表在國際頂刊Nature?Materials。

3. 圖文導讀

圖1 Ti-Mo雙相合金。a,b, STEM HAADF (a)和EDS (b)圖像。HAADF圖像的暗區和亮區分別代表α相和β相。c，原子尺度下典型α/β相邊界的HAADF圖像。用虛線突出顯示的邊界為α/β界面，方向為[01-1]_β//[0001]_α。d, GPA圖像說明了相邊界附近水平應變(εxx)、垂直應變(εyy)和剪切應變(εxy)的應變場圖。e，在~650℃加熱前和加熱后的低倍TEM和SAED圖像. 注意TEM模式下的圖像對比度與HAADF模式下的Z對比度不同。

圖2 在~650℃下的原位TEM和STEM表征表明非經典成核過程。a, 0秒、10秒、17秒的HRTEM圖像。中間的圓圈(10秒)標記了在α相中原子發生可見移動的區域。右圖中的圓圈(17秒)代表一個具有較大周期性中間結構形成的區域。b，對應的放大的HRTEM圖像和a的快速傅里葉變換圖。箭頭表示由于有序的中間結構而產生的衍射斑。c,沿[0001]_α方向原位STEM加熱實驗得到的hcp相內的HAADF圖像，顯示了非經典形核過程中原子結構的演化過程。箭頭標記的是延展的六方相超結構。

圖3 原位STEM表征和DFT建模。a，圖2c(iv)的放大圖像及其相應的ABF圖像，其中黃色箭頭表示原子柱中Mo原子的聚集，綠色球體表示可能形成六方相超結構。b，圖2c(v)的放大圖像及其對應的ABF圖像，其中橙色球體表示Mo富集原子柱。對比右圖b中橙色和綠色球體形成的六邊形，可以看出超結構中有很強的晶格畸變。c,d, a和b的GPA分析，表明壓縮應變和拉伸應變有明顯波動。e,f，超結構的DFT模型(Mo-1/5 hcp)。Mo和Ti原子分別為橙色和藍色。深藍色和淺藍色分別代表上下兩層Ti原子。g，基于DFT的MD模擬顯示在650℃下進行30 ps的原子軌跡(橙色斑點)與HAADF圖像b完美匹配。

圖4 相變的DFT模擬。a，DFT優化后的結構(頂部，俯視圖;底部、側面)。Mo和Ti原子分別呈現為橙色和藍色球體。深藍色和淺藍色分別代表上下兩層Ti原子。b，隨著Mo原子占據數的增加，NEB模擬的轉變路徑。虛線箭頭表示由bcc和hcp相之間的能量差驅動的相變方向。c, Mo-1/3 hcp模型在650℃下進行30 ps的原子軌跡，通過基于DFT的MD模擬，揭示了相變前的原子振動誘導的相變過程。d，無序和超結構hcp和bcc模型的形成能。

此項在原子尺度上原位追蹤固態相變初始階段的研究論文已以Atomic-scale observation of nonclassical nucleation mediated phase transformation in a titanium alloy 為題于2021年11月25日在Nature Materials上在線發表。浙江大學電子顯微鏡中心博士后符曉倩、西安交通大學材料學院材料創新設計中心博士生王旭東為本文的共同第一作者。浙江大學張澤院士團隊余倩、西安交通大學馬恩、張偉以及美國賓州州立大學陳龍慶為本文的共同通訊作者。其他重要的合作者包括上海同步輻射光源文聞、清華大學張文征、中國科學院物理研究所谷林、張慶華等人。該研究得到了國家自然科學基金委的大力支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01144-7

本文由虛谷納物供稿。