清華&日本東北大“經典之作”：相界面本征遷移率的定量估算
2020-08-03 來源： Goal Science
奧氏體/鐵素體的相界面遷移行為一直是近代物理冶金領域研究的熱點問題。早期，為了定量描述鐵素體長大動力學，人們先后提出了擴散控制和界面控制模型，前者認為界面的遷移只受到母相中合金元素的擴散控制，視界面的本征遷移率為無限大，后者則相反。然而對于實際的配分型相變而言，界面的本征遷移率和溶質原子的擴散均不會是無限大，因此后人提出了混合控制模型，即認為界面遷移的速率同時決定于界面處的凈化學驅動力及本征遷移率。該模型在描述Fe-C及Fe-C-X多元體系中奧氏體-鐵素體相變行為方面取得了滿意的結果。
界面本征遷移率是聯系界面遷移熱動力學問題的重要橋梁，為確定其值，學術界在過去開展了大量實驗工作，尤其是針對塊狀轉變過程中的非共格界面，目前已基本確定其遷移激活能大小，而關于指前因子依然存在較大的不確定性。另一方面，相比于非共格界面，半共格界面的本征遷移率卻鮮有報道。事實上，揭示半共格界面的本征遷移率對于人們進一步理解切變型相變機制及其界面遷移行為（如魏氏體、貝氏體的形成）具有重要意義。
近日，清華大學材料學院董浩凱博士生與日本東北大學Furuhara教授團隊合作，提出了定量估算界面本征遷移率的新方法。不同于傳統理論模型對實驗結果的擬合，他們利用高精度、高空間分辨率的場發射電子探針顯微分析技術（FE-EPMA）直接測量Fe-C二元合金中生長晶界鐵素體和魏氏體鐵素體界面處的碳含量，從而確定了界面處的總能量耗散。基于界面移動速度與能量耗散的線性關系，該方法可定量估算不同界面性格的本征遷移率，并同時獲得切變型相變過程中由切應變引起的能量損耗。相關結果以“ A comparative study on intrinsic mobility of incoherent and semicoherent interfaces during the austenite to ferrite transformation” 為題發表在期刊Scripta Materialia。
影響鐵素體長大動力學的本質因素是奧氏體一側碳的濃度梯度。界面奧氏體一側碳濃度偏離平衡態意味著界面處存在能量耗散，其值等于置換型元素在兩相中的化學勢差。
圖1 移動奧氏體/鐵素體相界面處碳含量與界面能量耗散之間的關系
通過EBSD確定AF（晶界鐵素體）的長大界面通常為非共格的non K-S界面，WF（魏氏體鐵素體）的長大界面則為半共格的K-S界面。EPMA定量分析表明WF界面處的碳濃度顯著偏離于平衡值。
圖2 Fe-C合金在750-825℃等溫后的光鏡組織及對應的EPMA碳濃度分布結果（AF：晶界鐵素體，WF：魏氏體鐵素體，M(γ)：馬氏體，Δθ：偏離理想K-S位向關系的角度）
對于AF與WF，其界面處的碳濃度隨著相變的進行均呈增加趨勢；相反，界面處的能量耗散則隨之減小。值得注意的是WF界面處的能量耗散值顯著高于AF，且隨著溫度的降低而增大。
圖3 （a）界面處碳濃度測量值與不同過冷度下Ae3線之間的對比；（b）界面處能量耗散大小隨等溫時間的變化
半共格界面的本征遷移率遠小于非共格界面，后者與溫度的關系遵循Arrhenius關系。伴隨WF切變長大產生的能量耗散約為20J/mol，其對界面遷移速度的影響遠小于本征遷移率。
圖4 （a）界面處能量耗散大小隨界面移動速度的變化；（b）界面本征遷移率與溫度之間的關系
本工作在定量上揭示了奧氏體/鐵素體相界面的共格性對本征遷移率的影響，豐富了固態相變理論，同時可為工業界鋼的組織調控和性能優化提供理論指導。闡明半共格界面本征遷移率與溫度的關系以及相變過程中應變能的變化問題將會是相變領域新的挑戰。相信隨著物理冶金知識及表征技術的不斷豐富，這些問題定將撥云見日。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646220304462
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