梯度納米結構（GNS）材料由于晶粒尺寸或孿晶間距呈現空間梯度分布而具有優越的力學性能。然而，GNS材料對熱和機械效應更為敏感，易發生晶粒長大現象。研究表明，GNS-Ti在遠低于再結晶溫度時容易誘發異常晶粒長大（AGG），AGG的發生導致梯度納米結構失穩、降低材料力學性能，極大限制了GNS材料在極端環境的服役使用。因此，本工作選取商業純鈦作為研究對象，旨在揭示GNS-Ti材料的AGG機制以提高材料的熱穩定性。

針對以上問題，華東理工大學的張顯程教授團隊和中南大學的張利軍教授團隊合作，采用準原位EBSD表征技術結合多物理場相場模擬，揭示了GNS-Ti的AGG機理。相關工作以題為“Abnormal grain growth behavior in gradient nanostrctred titanim investigated by copled qasi-in-sit EBSD experiments and phase-field simlations”發表在材料期刊《Acta Materialia》上。

論文共同第一作者為華東理工大學和中南大學聯合培養博士生彭威、湖州師范學院李曉博士和華中科技大學高建寶博士，通訊作者為華東理工大學的張顯程教授、孫彬涵教授和中南大學的張利軍教授。合作作者還包括華東理工大學的賀琛赟博士生、張勇博士和陸體文博士。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120141

本研究在上一個工作的基礎上（Peng, Wei, et al. Acta Mater. 260 (2023): 119236.），結合多序參數相場模擬和準原位 EBSD實驗，建立了一個新的耦合模型（見圖1）。該耦合模型將存儲能納入相場的總自由能泛函中，因此可以分析高溫下曲率驅動和存儲能驅動的晶粒生長現象。在多物理場 MOP-PF 模擬中，采用了晶粒取向分布、初始晶粒尺寸分布、幾何必要位錯 (GND) 密度分布以及孿晶的形貌和取向等 EBSD 實驗數據，實現了微觀組織演變的定量相場模擬。實驗中實時獲取的幾何必需位錯(GND) 密度數據同樣被嵌入模型中，以便準確反映實驗觀察到的GND密度隨時間的演變過程。

準原位EBSD & 相場模擬耦合研究策略

圖 1.多序參數相場 (MOP-PF) 模型和準原位電子背散射衍射 (EBSD) 實驗的耦合研究框架，同時考慮了曲率驅動和存儲能驅動的晶粒生長，旨在探究 GNS-Ti 的熱穩定性和異常晶粒長大 (AGG) 機理。利用EBSD 實驗所獲取的信息，包括晶粒尺寸分布、晶粒取向分布和幾何必要位錯 (GND) 密度分布，作為相場模擬中初始微觀結構構建的輸出信息，以確保模擬結果的準確性和可靠性。

首先，利用表面旋轉軋制工藝（SRRP）制備GNS-Ti材料（見圖2），GNS-Ti的微觀結構可以清晰地分為四個區域：(i) 表面納米晶與超細晶層（第1層，距表面0-80微米），含有平均大小為8.78納米的納米晶（位于頂層）和平均直徑為2.6微米的等軸晶粒（距表面20-80微米處）；(ii) 過渡層（第2層，距表面80-150微米），此層中動態再結晶不完全，晶粒呈現拉長狀態；(iii) 變形孿晶層（第3層，距表面150-320微米），包含大量{112?2}壓縮孿晶和{101?2}拉伸孿晶；(iv) 粗晶層（第4層，位于材料中心部位），此層保留有無明顯變形的粗大晶粒。

初始微觀結構表征

圖 2. 表面旋轉滾壓（SSRP）技術制備的GNS-Ti微觀結構: (a) 橫截面EBSD圖像質量圖; (b)表面的明場TEM圖像，顯示形成的納米晶粒（區域I），插圖展示了平均直徑為8.8 nm的晶粒尺寸分布；(c) 大約40 μm深度的明場TEM圖像，顯示形成了超細晶粒（區域II）；(d) 大約150 μm深度的明場TEM圖像，展示了不同厚度的層狀結構（區域III）；(e) 大約280 μm深處的明場TEM圖像，顯示存在高密度的形變孿晶（區域IV）。

之后，采用準原位電子背散射衍射（EBSD）技術表征了在550°C與700°C退火時GNS-Ti的微觀結構演化（見圖3 ）。對比發現，GNS-Ti在700℃下退火會在第3層中引發異常晶粒長大(AGG)。根據EBSD的統計晶粒尺寸分析，在700℃退火60分鐘后，第3層開始呈現出明顯的雙峰晶粒尺寸分布，這證實了該微觀結構層內發生了AGG。這種AGG現象在樣品的其他微觀結構層中均未觀察到，同樣在550℃下退火480分鐘的樣品整體微觀結構中也未出現。值得注意的是，700℃退火的GNS-Ti中，AGG發生在接近第2層的第3層區域，而其他層則誘導了正常晶粒長大(NGG)。

準原位EBSD表征

圖 3. 在550°C和700°C等溫退火過程中，GNS-Ti的準原位EBSD反極圖（IPF）圖（a, c）和沿深度方向的平均晶粒直徑分布（b, d）。請注意，通過每個深度的線掃描法獲得了不同深度的平均晶粒直徑。GNS-Ti的微觀結構區域存在明顯的分層，包括表面超細晶層（第1層）、過渡層（第2層）、形變孿晶層（第3層）和中央粗晶層（第4層）。此外，在本研究中進行的所有晶粒尺寸分析中，孿晶在計算平均直徑時被視為單個晶粒。

同時，對比分析了兩個退火溫度下，隨深度變化的幾何必需位錯(GND)密度分布及平均GND密度（見圖4），結果顯示在700℃時第2層與第3層交界處的存儲能變化速率比550℃時更快。這一觀察表明，隨著微觀結構的演變，在700℃時該界面處晶粒間的存儲能差異更為顯著。此外，700℃下晶粒長大速率的顯著增加同樣重要，意味著這可能是導致在該溫度下相對于550℃更傾向于發生異常晶粒長大的重要因素。

實驗幾何必須位錯密度分布

圖 4. GNS-Ti在550°C和700°C退火過程中幾何必要位錯（GND）密度分布圖（a, c）及隨深度變化的平均GND密度曲線（b, d）。平均GND密度隨深度的變化是通過在每個深度進行線掃描的方法獲得的。所有圖顯示存儲能分布存在明顯的分層。

隨后，采用定量相場模擬揭示了GNS-Ti在550°C與700°C退火過程中晶粒長大差異的機理（見圖 5 & 6）。模擬結果表明，700oC退火時，持續存在的存儲能驅動力是導致AGG發生的主要原因。而對比550oC退火時的結果表明，更高的退火溫度更加有利于GNS-Ti內部的回復及再結晶形核，這進而加大了晶粒間存儲能差，并增強了晶界遷移性。正是這些因素的協同作用，促使了700oC退火時AGG的誘發，而在550oC時并未觀察到這一現象。

相場模擬

圖 5. GNS-Ti在700oC等溫退火下的微觀結構演變：(a) 算例I（沒考慮存儲能驅動）和 (b) 算例 II（考慮存儲能驅動和GND密度的演化）。另外，算例 III（只考慮了存儲能驅動）的微觀結構演化可以參考補充文件中的圖S3。(c) 算例II的平均GND密度分布。在當前的多序參數相場（MOP-PF）模擬中，使用了在30分鐘時GNS-Ti的EBSD IPF圖作為初始微觀結構。

圖6. 在550°C下退火的算例IV: (a) 微觀結構演化和 (b) GND密度分布，該算例同時考慮了存儲能驅動和GND密度的演化。在當前的相場模擬中，我們采用了GNS-Ti在120分鐘時的EBSD IPF圖作為模擬的初始微觀結構。

最后，進一步研究了孿晶與儲存能在AGG過程中的相互作用關系，對比分析無孿晶GNS-TA6合金和有孿晶GNS-Ti在700°C下退火60分鐘后的微觀結構（見圖 7）。通過對比分析GNS-Ti與GNS-TA6，我們推測變形層中的孿晶可能會抑制儲存能的釋放，從而加速異常晶粒長大(AGG)并引起微觀結構的失穩。這是因為孿晶阻礙了晶界遷移并限制了動態再結晶的發生。然而，在相同的退火溫度下（即700oC），界面能較低的孿晶晶界能夠直接抑制晶粒長大，這提高了熱穩定性。

GNS-TA6 EBSD表征探究孿晶效應

圖7. GNS-TA6在700°C和800°C退火60分鐘后的IPF圖像 (a, b) 和GND密度分布圖 (c, d)。

實踐證明，準原位EBSD表征結合定量相場模擬是解釋材料過程物理背景的有利工具！該耦合方法憑借其對微觀結構演化的系統性的解析能力，尤其適合探究高溫環境下的微觀結構變化，為后續相關研究提供了一個高度可行且有效的研究范式。