超硬材料网

       编辑推荐：基于晶界(GB)在促进非均相形核中的作用的传统扩散相变(PTs)任务微米尺度上晶粒尺寸的减小往往会加速整体相变动力学，即一个经典现象—越小越快。文章通过研究纳米晶Fe-Ni基合金加热时铁素体(α)到奥氏体(γ)的转变，研究证明，在纳米尺度上细化晶粒尺寸会导致更慢的动力学—越小越慢。基于实验分析和相场晶体模拟，纳米颗粒材料中出现的这种较慢的动力学现象是由于GB对新相生长的抑制作用强于对成核的促进作用。这一新的发现重塑了我们对PTs尺寸依赖机制的看法，并为通过细化晶粒设计PTs提供了有用的指导。

       晶界(GBs)是材料中最常见的平面缺陷，在固体相变(PTs)中起着至关重要的作用。一般来说，GB以高能状态存在，它们通过形成原子核而被消除提供了一个热力学能量源，可以补偿成核所需的一些能量成本。众所周知，GB是非均相成核的较好位点，其成核势垒比均相成核的低。一般认为，随着GB体积分数的增加，晶粒尺寸的减小提供了更多的成核位点，产生了快速的转化动力学，这是“越小越快”的经典现象。然而，在界面控制的PTs中，长程溶质扩散不会发生，GB调节溶质再分配的作用是不存在的。

       西工大研究员研究了Fe-Ni基合金在高压扭转(HPT)加工过程中连续加热时界面控制的α/γ相变变。有趣的是，他们发现纳米尺度的晶粒细化可以导致更慢的相变动力学(即，越小越慢)。这似乎与通常在微米尺度的材料中观察到的“越小越快”的趋势相矛盾。在此基础上，他们讨论了从纳米晶到粗晶晶材料，GB在PTs中的作用。相关论文以题“Grain refinement tailoring the kinetics of phase transformation in nanograined Fe alloy: Smaller is slower”发表在Scripta Materialia。

       随着HPT处理样品中进一步转化的进行，抑制的动力学是出乎意料的。这种缓慢的动力学被发现与尺寸有关，即初始晶粒尺寸越小，转化动力学越慢，这可以称为所谓的“越小越慢”。这一结果与“越小越快”的传统观点形成鲜明对比，即具有精制晶粒尺寸的材料表现出加速的转化动力学，主要是因为GB的数量越多，带来更多的非均质成核位点。

       与XRD结果一致，HPT处理的样品的晶粒尺寸增加，但在加热时保持在超细尺度。HPT处理样品中异常延长的α/γ转化行为必须源于GBS的影响。

       HPT处理的样品中PB迁移的速度确实比CG样品中的PB迁移速度小得多，在整个转化过程中，PB迁移速度几乎恒定，这是大规模转化的典型特征。在精细尺度材料的情况下，极大规模的GB群体往往会引起GB与PB迁移之间的剧烈相互作用，凸显了GB对PB迁移的屏障的重要性。因此，尽管HPT处理的样品中的大部分GB在转化过程中可以作为丰富的成核位点发挥作用（如图1b所示，其中最初观察到更快的动力学），但它也可能诱导以较高Q为特征的抑制生长行为。铅.后一种效应是导致在这些样品中观察到的α/γ转化动力学减慢的原因。

       GB在扩散性PT中起着双重作用：它们要么充当加速PT的成核位点（即主动作用），要么充当延缓PT的“束缚    中心”（即负作用）。这两种作用相互竞争，影响随着晶粒尺寸减小的动力学总体变化，最终使相变动力学的尺寸依赖性发生逆转。对于粗晶粒材料，GB的主动作用发挥了主导作用，因此“越小越快”。相比之下，对于通过严重塑性变形方法获得的纳米晶粒和超晶粒材料，丰富的非平衡GB可以使其负作用更有效，因此“越小越慢”。

       总而言之，这项工作揭示了纳米颗粒Fe-8Ni-0.4Nb合金中较慢的α/γ转化动力学，与粗晶粒合金相比。“越小越慢”现象归因于大量GB引起的抑制增长行为。在此基础上，研究结果为理解GB在扩散PT中所起的双重作用提供了新的线索，即充当新相形成的异质成核位点，并作为相发育的束缚中心（屏障）。