本期包含金属材料领域论文11篇,涵盖了奥氏体、孪晶、高熵合金等,国内科研单位包括深圳大学等(通讯作者单位)。
Vol. 212 目录
1. A novel 3D mixed-mode multigrain model with efficient implementation of solute drag applied to austenite-ferrite phase transformations in Fe-C-Mn alloys
Fe-C-Mn合金奥氏体-铁氧体相变过程中溶质拖曳的3D混合模型
2. Atomic structures of interfacial solute gateways to θ’ precipitates in Al-Cu alloys
Al-Cu合金中θ′相界面溶质通道的原子结构研究
3. Columnar grain-driven plasticity and cracking in nanotwinned FCC metals
FCC纳米孪晶柱状晶的塑性与开裂
4. Dynamic recrystallization of Silver nanocubes during high-velocity Impacts
银纳米立方体在高速冲击下的动态再结晶
5. Dynamic strain aging mechanisms in a metastable austenitic stainless steel
亚稳奥氏体不锈钢的动态应变时效机制研究
6. Effect of sulfur on the glass-forming ability, phase transformation, and thermal stability of Cu-Zr-Al bulk metallic glass
硫对Cu-Zr-Al块体金属玻璃形成能力、相变和热稳定性的影响
7. Free surface impact on radiation damage in pure nickel by in-situ self-ion irradiation: can it be avoided?
能否避免自由表面对纯镍原位自离子辐照损伤的影响?
8. Increased magnetocaloric response of FeMnNiGeSi high-entropy alloys
FeMnNiGeSi高熵合金的磁热响应研究
9. Influence of microstructure and atomic-scale chemistry on the direct reduction of iron ore with hydrogen at 700°C
铁矿石在700℃氢气还原过程中的微观结构和成分演化
10. In situ study of non-equilibrium solidification of CoCrFeNi high-entropy alloy and CrFeNi and CoCrNi ternary suballoys
CoCrFeNi、CrFeNi和CoCrNi合金非平衡凝固的原位研究
11. Intercritical annealing of cold-rolled ferrite-pearlite steel: Microstructure evolutions and phase transformation kinetics
冷轧珠光体-铁素体钢临界退火过程中的组织演变和相变动力学研究
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116897
1. A novel 3D mixed-mode multigrain model with efficient implementation of solute drag applied to austenite-ferrite phase transformations in Fe-C-Mn alloys
Fe-C-Mn合金奥氏体-铁氧体相变过程中溶质拖曳的3D混合模型
H. Fang✉, S. van der Zwaag, N.H. van Dijk
H. Fang:h.fang@tudelft.nl, hfang@mek.dtu.dk, haixingfang868@gmail.com
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116897
摘要
同时考虑形核和界面迁移的三维模型是研究低合金钢复杂组织的有效工具。本研究中,我们开发了一个能在任意热处理路线下跟踪扩散界面,从而模拟奥氏体-铁素体相变和铁素体-奥氏体相变的三维多晶混合模型。模型考虑了置换型元素的溶质拖曳效益,并且当材料发生从加热到冷却的转变时,相变的方向也能够自发地随之改变。我们给出了计算溶质拖曳能量耗散的解析解,并结合化学势的多元回归逼近,大大加快了计算速度。我们首先以Fe-0.1C-0.5Mn (wt.%)合金为例,在不同的连续冷却和等温条件进行了计算。模型能够很好地模拟由于相邻晶粒的相互作用而导致的单一晶粒相变动力学差异。随后我们应用该模型对一系列Fe-C-Mn合金在循环相变过程中的动力学进行了预测。与实验结果的比较很好地验证了该模型关于铁素体相变动力学随Mn含量变化的预测。模型的创新点在于能够高效计算溶质拖曳的能量耗散、预测晶粒组织状态、且需要拟合的参数少。模型代码已公开。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116891
2. Atomic structures of interfacial solute gateways to θ’ precipitates in Al-Cu alloys
Al-Cu合金中θ′相界面溶质通道的原子结构研究
M.F. Chisholm✉, D. Shin, G. Duscher, M.P. Oxley, L.F. Allard, J.D. Poplawsky, A. Shyam
M.F. Chisholm:chisholmmf@ornl.gov
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116891
摘要
亚稳强化相在高温下的转变或溶解对于材料性能至关重要。我们利用畸变校正扫描透射电子显微镜和第一性原理计算,对Al-Cu体系中的典型θ析出相Al2Cu的高移动性半共格界面的原子结构进行了研究。研究表明,半共格{110}界面由两种在不同结构单元中排列的错配配位错列组成。位错是铝基体和强化相间几乎所有错配的产生原因。Cu在界面特定位置的位错核受压边缘偏聚。第一性原理计算从能量角度对Cu原子在半共格界面处的运动进行了解释。研究揭示了影响析出强化合金热稳定性的半共格界面的关键特征。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116925
3. Columnar grain-driven plasticity and cracking in nanotwinned FCC metals
FCC纳米孪晶柱状晶的塑性与开裂
Qiongjiali Fanga, Frederic Sansoz✉
F. Sansoz:frederic.sansoz@uvm.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116925
摘要
研究者通常是从位错角度对含有特定取向纳米孪晶(nt)的柱状晶强塑性机制进行研究,而很少从晶界(GB)变形的角度进行研究。我们采用了大尺度分子动力学模拟方法,研究了四种BCC纳米孪晶柱状晶(Cu、Ag、Al、Ni)中晶界应变调节对塑性变形的影响。结果表明,在平行于共格孪晶界(CTB)的拉伸变形中,金属中的位错机制相同,并且与小CTB间距下的晶界扭结发射和大CTB间距下的位错缠结有关。随着剪切模量的增加,柱状晶孪晶金属的CTB强化效果越来越明显,这是由于GB应力集中与孪晶尺寸、金属类型和应变速率有关。随着CTB间距的减小,nt-Cu、nt-Ag和nt-Al的流动应力呈线性增加,而在nt-Ni在6 nm临界CTB间距下达到最大强度极限。这一强度极限是由GB滑移引起的柱状GB开裂造成的。对于柱状晶组织,nt-Ag和nt-Al中的GB滑动相当,nt-Cu中稍低,nt-Ni中则非常显著。以上发现强调了GB变形机制对柱状晶nt金属塑性和断裂的影响,对于加深对FCC金属中CTB强化的理解也有重要意义。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116892
4. Dynamic recrystallization of Silver nanocubes during high-velocity Impacts
银纳米立方体在高速冲击下的动态再结晶
David Funes Rojas, Okan K. Orhan, Mauricio Ponga✉
M. Ponga:mponga@mech.ubc.ca
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116892
摘要
我们通过分子动力学结合第一性原理计算,研究了银(Ag)单晶纳米立方体在高速冲击下的组织演变、动态再结晶和冲击后的晶格结构。我们的研究表明,在冲击作用下,在某些取向上能够形成由不同尺寸晶粒组成的复杂结构。这些取向的选择对应于至少八个或更多滑移系统的同时激活和位错雪崩。位错相互作用,并能够产生大量塑性变形促进纳米立方中的再结晶。另一方面,对于不同时激活滑移系统的取向,则没有观察到动态再结晶。通过高温下的第一性原理模拟,我们发现剧烈的塑性变形可以诱发面心立方结构向4H密排六方相的相变,而4H密排六方相比2H密排六方相在热力学上更加稳定。这些结果与实验结果吻合较好。我们的系统数值实验揭示了促进动态再结晶的因素,并为在冲击过程中通过取向调控材料的组织结构提供了指导。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116888
5. Dynamic strain aging mechanisms in a metastable austenitic stainless steel
亚稳奥氏体不锈钢的动态应变时效机制研究
Javad Mola✉, Guoqing Luan, Qiuliang Huang, Christiane Ullrich, Olena Volkova, Yuri Estrin
J. Mola:j.mola@hs-osnabrueck.de
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116888
摘要
我们采用单轴拉伸试验对Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C亚稳不锈钢在20 ~ 500℃范围内动态应变时效(DSA)引起的不连续塑性流变进行了研究。我们在已有模型上进行了改进,对中温区的复杂不连续流变及其消失进行了解释。不同温度区间的DSA机制不同。200°C以下,DSA由滑移带内的变形诱导马氏体相变引起。这一过程中,马氏体/奥氏体界面处的位错不发生运动,且界面不断向邻近的奥氏体发射新的位错。碳从马氏体向马氏体/奥氏体界面的快速扩散被认为是连续塑性流变中的一种钉扎机制。200-300°C区间内变形曲线上出现锯齿,这与奥氏体中碳扩散引起的位错钉扎有关。尽管在350-450°C,碳扩散速率增加,但此时无锯齿现象,碳原子持续拖拽溶质元素。而在500°C时,由于发生铬、锰原子对位错的钉扎,因此锯齿现象重新出现。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116923
6. Effect of sulfur on the glass-forming ability, phase transformation, and thermal stability of Cu-Zr-Al bulk metallic glass
硫对Cu-Zr-Al块体金属玻璃形成能力、相变和热稳定性的影响
Hao-Ran Jiang, Jing-Yi Hu, Nico Neuber, Benedikt Bochtler, Bastian Adam, Sascha S. Riegler, Maximilian Frey, Lucas Ruschel, Wen-Fei Lu, Ai-Han Feng✉, Ralf Busch, Jun Shen✉
A.-H. Feng:aihanfeng@tongji.edu.cn (同济大学)
J. Shen:junshen@szu.edu.cn(深圳大学)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116923
摘要
我们通过常规XRD、高能原位同步辐射XRD、SEM、热差分析、热力学分析等方法研究了少量添加硫对Cu47.5Zr45.1Al7.4块体金属玻璃(BMG)的玻璃形成能力(GFA)、相组成、热稳定性和力学性能的影响。结果表明,硫对Cu-Zr-Al合金的GFA和热稳定性同时具有正反两方面的影响。一方面,硫可以减缓流体动力学,抑制熔体铸造和玻璃加热过程中共晶相析出,从而有利于含硫合金的玻璃相形成和热稳定性。另一方面,硫的加入促进了富Al的τ3相的形成,对GFA和熔体稳定性具有显著的负面效应。这两个因素相互作用,使得Cu-Zr-Al合金中的最佳硫含量约为0.75at.%。与原合金相比,添加硫后材料具有更好的玻璃形成能力、更大的过冷液相区和优异的机械性能,是一种富有前景的工业结构材料。此外,我们根据实验结果,阐明了时间-温度-相变图随硫浓度的变化。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116874
7. Free surface impact on radiation damage in pure nickel by in-situ self-ion irradiation: can it be avoided?
能否避免自由表面对纯镍原位自离子辐照损伤的影响?
Kan Ma, Brigitte Décamps, Anna Fraczkiewicz, Thomas Jourdan, Frédéric Prima, Marie Loyer-Prost✉
M. Loyer-Prost:marie.loyer-prost@cea.fr
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116874
摘要
自由表面的表面效应是原位辐照损伤研究中的难点之一。因此,我们需要对表面效应进行详细研究,从而对已有实验结果进行验证并为未来实验提供指导。由于Ni中的自间隙原子具有较高的迁移率,因此我们选择以Ni为对象对表面效应进行研究。我们采用2MeV的Ni2+离子在400-700°C下对超高纯度Ni薄膜进行原位辐照。根据试样厚度对位错环的影响,对其进行了微观组织演化分析和详细表征。研究取得的成果包括:(i)厚度对组织演变和辐照效应影响显著,且存在一个与温度有关的临界厚度;(ii)利用空位浓度计算模型很好地预测辐照厚度;(iii)自由表面对位错环的Burgers矢量分布有影响;(iv)通过考虑无环区域随温度的变化确定了Ni中的空位迁移能;(v)我们首次在510°C观察到,间隙原子减少10%有利于Ni中空位环的生长。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116931
8. Increased magnetocaloric response of FeMnNiGeSi high-entropy alloys
FeMnNiGeSi高熵合金的磁热响应研究
Jia Yan Law✉, Álvaro Díaz-García, Luis M. Moreno-Ramírez, Victorino Franco✉
J.Y. Law:jylaw@us.es
V. Franco:vfranco@us.es
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116931
摘要
具有优异磁热性能的高熵合金(HEAs)可能成为一种优异的功能材料。高熵合金的成分范围很大,磁热高熵合金通常在二级相变时表现出明显的磁热响应。本研究中,我们通过一种性能导向的搜索方法,发现多种具有不同Ge/Si比的FeMnNiGeSi高熵合金具有磁性结构一级相变。合金的等温熵变最高可达13 J kg-1K-1 (2.5T条件下),这是迄今为止报道的具有最大磁热效应的高熵合金。这一性能已能与许多传统的磁热材料体系相媲美。以上研究为具有优异力学性能的高熵合金功能材料设计提供了指导。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116933
9. Influence of microstructure and atomic-scale chemistry on the direct reduction of iron ore with hydrogen at 700°C
铁矿石在700℃氢气还原过程中的微观结构和成分演化
Se-Ho Kim, Xue Zhang, Yan Ma, Isnaldi R. Souza Filho, Kevin Schweinar, Katja Angenendt, Dirk Vogel, Leigh T. Stephenson, Ayman A. El-Zoka, Jaber Rezaei Mianroodi, Michael Rohwerder, Baptiste Gault✉, Dierk Raabe✉
B. Gault:b.gault@mpie.de
D. Raabe:d.raabe@mpie.de
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116933
摘要
人们使用碳作为还原剂提炼矿石中的铁,而钢铁冶炼目前已经是最大的单一工业温室气体排放源之一。因此,使用氢作还原剂具有广阔的发展前景。尽管相关反应已经被研究了几十年,但其动力学仍不清楚,且原慢过程及其缓慢。矿石的微观结构和局部化学性质限制了反应速率。我们对采用纯H2从赤铁矿中炼铁过程中矿石的结构和成分演变进行了研究。在还原过程中,由于氧的减少和非体积守恒相变,矿石中产生了复杂的孔隙和结构演变。还原后的高纯铁中含有孔隙和裂纹。我们观察到了几种晶格缺陷,这些缺陷对传质有加速作用,以及多种杂质元素(Na, Mg, Ti, V)以未被还原的氧化物岛形式存在。本研究对低碳铁生产过程具有重要意义。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116880
10. In situ study of non-equilibrium solidification of CoCrFeNi high-entropy alloy and CrFeNi and CoCrNi ternary suballoys
CoCrFeNi、CrFeNi和CoCrNi合金非平衡凝固的原位研究
Angelo F. Andreoli✉, Olga Shuleshova, Victor T. Witusiewicz, Yuhao Wu, Yanzhao Yang, Oleh Ivashko, Ann-Christin Dippel, Martin v. Zimmermann, Kornelius Nielsch, Ivan Kaban✉
A.F. Andreoli:a.fernandes.andreoli@ifw-dresden.de
I. Kaban:i.kaban@ifw-dresden.de
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116880
摘要
我们利用高速视频和同步X射线衍射技术,对CoCrFeNi、CrFeNi和CoCrNi三种高熵/中熵合金的凝固行为进行了原位研究。在所有合金中,如果熔体过冷度较高,则可以观察到初生亚稳BCC相的形成。稳定FCC相在BCC晶体中形核的孕育期与熔体过冷度成反比。相关的稳态和亚稳态相图计算证实了实验结果。基于高速视频技术得到的CrFeNi、CoCrNi和CoCrFeNi晶体生长素体与文献中Fe-Ni和Fe-Cr-Ni合金的数据相当,两者具有相同的结晶动力学。此外,我们分析和讨论了熔体过冷对凝固样品组织的影响。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116920
11. Intercritical annealing of cold-rolled ferrite-pearlite steel: Microstructure evolutions and phase transformation kinetics
冷轧珠光体-铁素体钢临界退火过程中的组织演变和相变动力学研究
J. Teixeira✉, M. Moreno✉, S.Y.P. Allain✉, C. Oberbillig✉, G. Geandier✉, F. Bonnet✉
J. Teixeira:julien.teixeira@univ-lorraine.fr
M. Moreno:m_moreno@hotmail.fr
S.Y.P. Allain:sebastien.allain@univ-lorraine.fr
C. Oberbillig:carla.oberbillig@arcelormittal.com
G. Geandier:guillaume.geandier@univlorraine.fr
F. Bonnet:frederic.bonnet@arcelormittal.com
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116920
摘要
冷轧铁素体珠光体(F/P)组织的退火是双相钢制备的关键步骤,涉及许多相互作用的机制,即铁素体的回复/再结晶、球化、锰的富集、渗碳体的粗化和奥氏体相变。我们重点研究了奥氏体转变,考虑了奥氏体与铁素体再结晶的相互作用以及渗碳体化学成分的影响。我们通过组织观察和原位高能X射线衍射研究了冷轧F/P组织在三种加热速率下的演变,以阐明不同机制之间的相互作用。结果表明,奥氏体在缓慢加热条件下呈链状,而在快速加热条件下呈带状。铁素体基体中大量的晶间(或孤立的)碳化物是导致这种特殊的组织形貌的主要原因。这些碳化物是在热轧过程中形成的。渗碳体成分的热动力学分析表明,珠光体相变过程中发生置换型元素的配分。而孤立碳化物的溶解则在加热过程中由配分型相变变为无配分相变。渗碳体溶解后,发生铁素体-奥氏体相变,相变动力学随加热速率的增加而增加。我们通过DICTRA软件对相变动力学进行了模拟和解释。