編輯推薦：基于晶界(GB)在促進非均相形核中的作用的傳統擴散相變(PTs)任務微米尺度上晶粒尺寸的減小往往會加速整體相變動力學，即一個經典現象—越小越快。文章通過研究納米晶Fe-Ni基合金加熱時鐵素體(α)到奧氏體(γ)的轉變，研究證明，在納米尺度上細化晶粒尺寸會導致更慢的動力學—越小越慢。基于實驗分析和相場晶體模擬，納米顆粒材料中出現的這種較慢的動力學現象是由于GB對新相生長的抑制作用強于對成核的促進作用。這一新的發現重塑了我們對PTs尺寸依賴機制的看法，并為通過細化晶粒設計PTs提供了有用的指導。

晶界(GBs)是材料中最常見的平面缺陷，在固體相變(PTs)中起著至關重要的作用。一般來說，GB以高能狀態存在，它們通過形成原子核而被消除提供了一個熱力學能量源，可以補償成核所需的一些能量成本。眾所周知，GB是非均相成核的較好位點，其成核勢壘比均相成核的低。一般認為，隨著GB體積分數的增加，晶粒尺寸的減小提供了更多的成核位點，產生了快速的轉化動力學，這是“越小越快”的經典現象。然而，在界面控制的PTs中，長程溶質擴散不會發生，GB調節溶質再分配的作用是不存在的。

西工大研究員研究了Fe-Ni基合金在高壓扭轉(HPT)加工過程中連續加熱時界面控制的α/γ相變變。有趣的是，他們發現納米尺度的晶粒細化可以導致更慢的相變動力學(即，越小越慢)。這似乎與通常在微米尺度的材料中觀察到的“越小越快”的趨勢相矛盾。在此基礎上，他們討論了從納米晶到粗晶晶材料，GB在PTs中的作用。相關論文以題“Grain refinement tailoring the kinetics of phase transformation in nanograined Fe alloy: Smaller is slower”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114948

隨著HPT處理樣品中進一步轉化的進行，抑制的動力學是出乎意料的。這種緩慢的動力學被發現與尺寸有關，即初始晶粒尺寸越小，轉化動力學越慢，這可以稱為所謂的“越小越慢”。這一結果與“越小越快”的傳統觀點形成鮮明對比，即具有精制晶粒尺寸的材料表現出加速的轉化動力學，主要是因為GB的數量越多，帶來更多的非均質成核位點。

圖1 CG、1/2t-HPT 和 4t-HPT 樣品中α/γ相變轉化的表征。

與XRD結果一致，HPT處理的樣品的晶粒尺寸增加，但在加熱時保持在超細尺度。HPT處理樣品中異常延長的α/γ轉化行為必須源于GBS的影響。

圖2 CG、1/2t-HPT 和 4t-HPT 樣品的EBSD表征表征。

HPT處理的樣品中PB遷移的速度確實比CG樣品中的PB遷移速度小得多，在整個轉化過程中，PB遷移速度幾乎恒定，這是大規模轉化的典型特征。在精細尺度材料的情況下，極大規模的GB群體往往會引起GB與PB遷移之間的劇烈相互作用，凸顯了GB對PB遷移的屏障的重要性。因此，盡管HPT處理的樣品中的大部分GB在轉化過程中可以作為豐富的成核位點發揮作用（如圖1b所示，其中最初觀察到更快的動力學），但它也可能誘導以較高Q為特征的抑制生長行為。鉛.后一種效應是導致在這些樣品中觀察到的α/γ轉化動力學減慢的原因。

圖3 CG、1/2t-HPT和4t-HPT樣品中α/γ轉化的動力學分析。

GB在擴散性PT中起著雙重作用：它們要么充當加速PT的成核位點（即主動作用），要么充當延緩PT的“束縛    中心”（即負作用）。這兩種作用相互競爭，影響隨著晶粒尺寸減小的動力學總體變化，最終使相變動力學的尺寸依賴性發生逆轉。對于粗晶粒材料，GB的主動作用發揮了主導作用，因此“越小越快”。相比之下，對于通過嚴重塑性變形方法獲得的納米晶粒和超晶粒材料，豐富的非平衡GB可以使其負作用更有效，因此“越小越慢”。

圖4 圖解說明了在PTs中由GB扮演的角色。GB將發揮雙重作用，整體效果取決于規模。V1和V2分別表示相界與GB相互作用前后的遷移速度

總而言之，這項工作揭示了納米顆粒Fe-8Ni-0.4Nb合金中較慢的α/γ轉化動力學，與粗晶粒合金相比。“越小越慢”現象歸因于大量GB引起的抑制增長行為。在此基礎上，研究結果為理解GB在擴散PT中所起的雙重作用提供了新的線索，即充當新相形成的異質成核位點，并作為相發育的束縛中心（屏障）。