析出相的案例
一作兼通訊發《Nature》：雙功能納米析出相！同時提高合金強塑性
盡管可以通過晶界孿晶界、溶質原子和析出相等阻礙位錯運動，提高其強度。但與此同時會降低延展性，且析出相也會阻礙相變。
在此，來自美國橡樹嶺國家實驗室的Ying Yang & Easo P. George等研究者使用Fe-Ni-Al-Ti中熵合金作為模型材料，獲得的雙重功能納米析出相可以同時提升合金的拉伸強度和均勻延伸。相關論文以題為“Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy”發表在最新一期Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03607-y
研究者的策略是采用以下兩種假設的合金來說明的。圖1a所示，合金Α1在高溫下為單相fcc(奧氏體)，當淬火到室溫時，它發生bcc-馬氏體轉變，如圖1b。合金Α2在高溫下具有兩相組織(圖1c)，由分布在fcc-奧氏體基體中的析出相組成，其成分與合金Α1相同。因此，在沒有析出相的情況下，A2基體在淬火時也應發生bcc-馬氏體的轉變。然而，如圖1d所示，由于析出相的空間限制，其馬氏體相變將被抑制，從而形成亞穩的fcc-奧氏體基體。
圖1 FNAT-m-47h和FNAT-47h合金的組織和拉伸性能。
為了實現以上這些合金，研究者設計并制備了兩種中等熵合金(MEA)成分。首先是Α2合金，其成分為Fe-32.6Ni-6.1Al-2.9Ti (at%)，在其主要成分和時效時間(47h)后記為FNAT-47h。
展開 《Scripta》：不規則形狀析出相和鋸齒晶界，讓高熵合金性能更優！
鑒于化學計量具有A3B型結構的L12相，以及元素在多組分L12晶格中的趨勢，析出相為多組分(Ni,Co,Fe,Cr)3(Ti,Al,Cr,W,Mo)L12相。SEGB的形成與相對較大的晶間析出相有關，由于基體和晶界之間的應變能差異以及沿晶粒的快速溶質擴散，析出相/基體界面的邊界優先向晶界快速生長和增粗。平整晶界STG-MNiHEA樣品的析出相通過Ostwald熟化機制而不是彼此聚結而粗化，這種粗化過程導致晶內和晶間析出相呈球狀。
《Nature Commun》：利用可塑性變形析出相提升高熵合金疲勞壽命！
研究者發現，在~0.03%的低塑性應變幅下，通過加入韌性可轉變的多組分B2相，設計合金的疲勞壽命至少是其他常規合金的4倍，表現出更強的抗疲勞裂紋萌生能力。研究者通過使用最新的實時原位中子衍射和先進的電子顯微鏡，以及晶體塑性建模和蒙特卡羅(MC)模擬，揭示了其底層機制。在高熵合金中觀察到位錯滑移、析出強化、變形孿晶和可逆馬氏體相變等多種循環變形機制。研究表明，其在低應變幅下的疲勞性能的改善，即高的疲勞裂紋萌生抗力，歸因于B2強化相的高彈性、塑性變形能力和馬氏體相變。結果表明，將可變形的多組分金屬間析出相結合，并提供多種有益的循環變形機制的設計思想，為設計先進的抗疲勞合金提供了新的方向。
圖1 所研究的HEA的相和微觀結構信息。
圖2 Al0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF結果。
圖3 實時原位中子衍射結果。
圖4 TEM和SEM表征了不同應變幅下的結構演變。
圖5 MC模擬結果。
圖6 所研究的HEA中的循環變形機制和微裂紋萌生行為示意圖。
綜上所述，研究者的工作為理解多組分B2析出強化HEA的循環變形機制提供了一個完整的思路，并通過引入可變形的多組分金屬間析出相來指導抗疲勞合金的設計，這些析出相可以通過調整HEAs成分和熱機械加工很容易實現。（
文：水生
）
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展開 開源鎳基合金析出相模擬的Fortran程序
作者在文章中采用了一種名為“沃羅諾伊圖 (Voronoi construction)”的方法來更真實地描述析出顆粒的空間分布，并以此修正了顆粒周圍的原子擴散距離，提升了模型的準確性，模型通過與鎳基（Ni-Al-Cr）合金的原子探針實驗數據進行對比，得到了很好的驗證。作者對文章的程序進行了開源，感興趣的可以下載了解，原始文章
作者提供的程序
https://github.com/KeXuMSE/Voronoi-Construction-based-Kampmann-and-Wagner-numerical-model
該模型的顯著優勢：
準確預測沉淀物的尺寸和成分
能夠通過簡單、定量的生長動力學方程處理復雜的合金化學反應
通過 Voronoi 構造可視化沉淀物的空間分布
對于分析鎳基合金析出相分析有良好的啟發性，感興趣的可以下載研究一下。
展開 
馬氏體沉淀強化不銹鋼中納米相析出演變機理及其強化行為
相；(c) W型孿晶9R富Cu相；(d)孿晶9R、W型9R富Cu相和NMSN相，插圖為富Cu相、NMSN相和基體的傅里葉轉換衍射斑
圖九 數量密度等效半徑統計
富Cu相與富Cr相的數量密度和等效半徑的變化
圖十 析出強化理論計算
富Cu相與富Cr區對強度貢獻的理論計算
【小結】
本研究利用HRTEM和APT研究17-4 PH SS 450℃回火過程中納米相的析出行為和強化機制。
中南大學《Acta》：鋁合金變形過程納米析出與位錯的交互作用！
通過在透射電鏡中對宏觀拉伸樣品斷口進行離位觀察分析，發現β″相在樣品拉伸變形過程中還發生了破碎和旋轉（如圖2a）。通過耦合透射電鏡和原子探針層析（APT）技術對β″和β?兩種析出相共存的另一拉伸斷口樣品進行分析（見圖2b-e），進一步證實了β″相的破碎與旋轉，并發現β?相經過類似的拉伸變形后仍有很大概率能保持較為完整的針狀形貌，或雖然部分破碎但其針狀形貌仍可辨認。團隊分析多方面的實驗證據后指出析出相與基體的共格度影響其力學行為，共格度更低的析出相在位錯一次切過后其界面能升高，因而難以在同一位置多次切過（更難破碎和旋轉），同時指出析出相旋轉的最可能機制為析出相與基體間的界面滑動。
圖1 β″析出相(1-4)被位錯（i-iv）切過的原位透射電鏡納米力學實驗
圖2 β″和β?兩種不同析出相與位錯的不同交互作用結果的離位透射電鏡及APT表征結果，（a，b）中的樣品取自兩個不同宏觀拉伸樣品距斷口尖端0.2毫米處
該工作闡明了共格針狀析出相β″和半共格針狀析出相β?在合金拉伸變形過程中“易于破碎并可旋轉”及“較難破碎”的迥異力學行為，提出了“共格析出相被位錯切碎 → 碎片在擴散作用下通過界面滑動而發生旋轉”的新機制，在不久的將來有望催生鋁合金抗拉強度模擬預測的新理論、新模型。
本文來自“國家自然科學基金委員會”。
展開 【論文介紹】航空鋁合金代次劃分特點及第五代800 MPa級超高強度鋁合金的時效析出特點
圖1 不同時效工藝處理后合金的室溫拉伸性能
(a)T=110 ℃；(b)T=140 ℃
不同時效工藝下合金靠近<011>帶軸的透射組織明場像顯示：在110 ℃時效時，析出相長大緩慢，時效4 h后，晶內析出相多數為圓形，細小且分布均勻，尺寸約為3~5 nm；時效時間延長至96 h時，析出相形貌為針狀析出相和圓盤狀析出相，針狀析出相寬度約2~4 nm，長度約5~10 nm，圓盤狀析出相尺寸約4~8 nm。
140 ℃時效時，析出相尺寸較110 ℃時效時明顯增大，時效4 h后，晶內均勻析出了大量細小的針狀及圓形顆粒，析出相的尺寸約為5~10 nm，時效24 h后，析出相的尺寸長大至15~20 nm。時效溫度升高，析出相析出和長大的速度明顯加快。
圖2 不同時效制度下合金TEM組織
(a)110 ℃/4 h；(b)110 ℃/24 h；(c)110 ℃/96 h；(d)140 ℃/4 h；(e)140 ℃/24 h
結合不同方向的選區電子衍射花樣（SAD）確定析出相的種類，結果表明：110 ℃時效4 h后，在<001>帶軸下，{1, (2n+1)/4, 0}位置出現GPI區衍射斑點，1/3{220},2/3{220}位置出現η′相衍射斑點；在<112>帶軸下，在1/2{311}位置出現GPII區衍射斑點。110 ℃時效96 h后，同樣可以發現GPI區及GPII區、η′相的衍射斑點強度，表明在此溫度下，GPI區及GPII區、η′相可以穩定存在。
140 ℃下時效4 h后，未發現GP區的衍射斑點，1/3{220}，2/3{220}位置出現了η′相衍射斑點，表明基體中η′相的存在；140 ℃時效24 h后，η相的衍射斑點變強，表明此時η′相和η相為主要的析出相。
展開 【論文介紹】航空鋁合金代次劃分特點及第五代800 MPa級超高強度鋁合金的時效析出特點
圖1 不同時效工藝處理后合金的室溫拉伸性能
(a)T=110 ℃；(b)T=140 ℃
不同時效工藝下合金靠近<011>帶軸的透射組織明場像顯示：在110 ℃時效時，析出相長大緩慢，時效4 h后，晶內析出相多數為圓形，細小且分布均勻，尺寸約為3~5 nm；時效時間延長至96 h時，析出相形貌為針狀析出相和圓盤狀析出相，針狀析出相寬度約2~4 nm，長度約5~10 nm，圓盤狀析出相尺寸約4~8 nm。
140 ℃時效時，析出相尺寸較110 ℃時效時明顯增大，時效4 h后，晶內均勻析出了大量細小的針狀及圓形顆粒，析出相的尺寸約為5~10 nm，時效24 h后，析出相的尺寸長大至15~20 nm。時效溫度升高，析出相析出和長大的速度明顯加快。
圖2 不同時效制度下合金TEM組織
(a)110 ℃/4 h；(b)110 ℃/24 h；(c)110 ℃/96 h；(d)140 ℃/4 h；(e)140 ℃/24 h
結合不同方向的選區電子衍射花樣（SAD）確定析出相的種類，結果表明：110 ℃時效4 h后，在<001>帶軸下，{1, (2n+1)/4, 0}位置出現GPI區衍射斑點，1/3{220},2/3{220}位置出現η′相衍射斑點；在<112>帶軸下，在1/2{311}位置出現GPII區衍射斑點。110 ℃時效96 h后，同樣可以發現GPI區及GPII區、η′相的衍射斑點強度，表明在此溫度下，GPI區及GPII區、η′相可以穩定存在。
140 ℃下時效4 h后，未發現GP區的衍射斑點，1/3{220}，2/3{220}位置出現了η′相衍射斑點，表明基體中η′相的存在；140 ℃時效24 h后，η相的衍射斑點變強，表明此時η′相和η相為主要的析出相。
展開 Nature子刊：金屬所準晶異質形核析出機理
a，沿Mg基體[0001]帶軸觀察的冷軋后300℃熱處理約10分鐘樣品內位錯上的析出相；b，C14
Laves相中二十面體單元的原子構型；c，析出相內顯示繞二十面體串軸向嚴格五次旋轉對稱的二十面體團簇的原子構型；d，沿Mg基體[0001]帶軸觀察的攪拌摩擦處理后經340℃熱處理60分鐘的樣品內的析出相，右上角插圖中箭頭指向分布在圓周上的10個衍射斑點；e，沿著Mg基體帶軸觀察得到的析出相的原子分辨圖像，顯示大量Zn間隙原子（如箭頭所指）。圖a中標出了C14、C15、μ和Mg4Zn7等晶體相的結構單元，但它們的尺寸通常不超過一個單胞大小。
圖4.析出相中顯示理想的五次旋轉對稱性的二十面體串（紫色五邊形所示）處的四棱柱和扁六棱柱排列規律。m代表對稱元素—“鏡面”，s代表相鄰兩個共面二十面體之間的距離（~0.45nm），是黃金分割數。括號內的第一個數字表示72°四棱柱的數量，第二個數字表示扁六棱柱的數量。
圖5.a，均勻形核的晶核顯示C14 Laves相結構；b，均勻形核長大的析出相內往往存在較大的晶體疇結構，疇的尺寸遠大于晶體相單胞大小。由此推斷，位錯芯處的五元環結構在類Penrose隨機拼接結構析出相的形成中發揮了重要作用。
圖6.a-c，Mg柱面位錯芯結構的分子動力學動力學模擬，其中：圖b中的數字1-5標出了五元環中心的原子柱，圖c中示意地勾勒出Zn原子進入間隙后與位錯芯出的五元環構成的一個二十面體團簇；d，以Mg八面體中心為軸的二十面體串（黑色五邊形）在Mg基體晶格中構成四棱柱和扁六棱柱的示意圖。
展開 ZK系鎂合金微合金強化機理研究
本文采用計算材料學方法揭示了微合金化增強析出相密度的機理。Guinier-Preston區（GP區）是ZK系鎂合金中的初期析出相，對析出強化效果有著重要的作用。本文系統研究了Ag，Ca，Al，Zr等四種微合金化元素對GP區穩定性的影響。發現含Ag和Ca元素能提高GP區形成能，而Al和Zr則無法提高GP區形成能，由此推測Ag和Ca具有增加GP區穩定性，提高其形核率的效果；而Al和Zr不具有提高形核率的效果；這與實驗上Ag和Ca能增加析出相GP區密度但Al和Zr無此效果相一致。論文還探索了這些合金元素在GP區中的電子結構特征：發現Ca在GP區中其成鍵態增強，而Al和Zr在GP區中其反鍵態增強；這分別導致了體系穩定性的增加和減弱。 而Ag增強GP區的穩定性是源于其能減弱體系的泡利排斥能，從而導致體系穩定性增強。通過對ZK系微合金化機理的研究，該課題的研究者們探索了如何將材料關鍵熱力學量與材料宏觀性質改變進行關聯的可行性，并試圖從電子結構理解影響熱力學量的成因。目前，該課題的研究者們正在研究如何通過電子結構特征來預估合金元素在特定合金中的宏觀性能的影響。
ZK系合金是目前強度較大的商用鎂合金，但其強度仍然不能滿足實際需要。合金元素能改變ZK系合金析出強化效果，研究合金元素對析出強化機理的影響有著重要意義。本文提出GP區穩定性是影響析出相初期成核的主要因素。本文構建了一系列三明治模型結構來表達GP區的原子結構，這些三明治結構可以按照慣析面方向(0001), (10-10)和(11-20)分為三類，如圖1（a），1（b）和1（c）中所示，分別為(0001), (10-10)和(11-20)面。
圖 1 慣析面平行于(0001)
Mg，(10-10)
Mg和(11-20)
Mg晶面的三明治結構原子結構圖。
展開 哈工大《JMST》：含稀土鉺的Al-Sc-Zr合金析出演化與力學性能！
在無Er合金中，出現了核/殼結構，即Al3(Sc,Zr)析出，形成富Sc核和富Zr殼，這些析出相在初始是一致的，尺寸較小。在400℃時效25 h后，晶格共格性降低，析出相直徑粗化至20-40 nm。在含Er合金中，在300℃時形成了核殼結構，在400℃時出現了明顯的Al3(Er,Sc,Zr)析出相的核/雙殼結構，由富Er的核、富Sc的內殼和富Zr的外層組成。
本文系統地研究了無Er和含Er Al-Sc-Zr合金在相對較高的溫度(300℃和400℃)下等溫時效后的力學硬度和微觀組織演變，DFT計算有助于理順Al-Sc-Zr(-Er)合金中觀察到的析出相結構和形成機制。2NN溶質-溶質相互作用有利于所有溶質原子，這是促進L12結構析出相的關鍵特征。無Er合金和含Er合金中核/殼析出相和核/雙殼析出相的形成順序與溶質-溶質相互作用和擴散有關：在2NN位點上，Er與空位的吸引作用最強，溶質-溶質相互作用最強，而Zr的溶質-空位相互作用最弱。本文揭示了Er對Al-Sc-Zr合金時效硬化行為的有益影響，并為Al-Sc-Zr(-Er)合金時效處理的設計提供了指導。
展開 
金屬頂刊《Acta Mater》：增材制造高強鋁合金的疲勞與動態時效！
向Al-Mg系合金中添加Sc元素，在凝固過程中原位形成的初生Al3Sc析出相能夠為晶粒提供額外的形核質點，從而有效的減輕裂紋的形成傾向。此外，適當的熱處理工藝能夠對次生Al3Sc強化相進行調節，進而實現對Al-Mg-Sc合金的力學性能的調控。然而，目前缺乏對于如何精確控制LPBF和熱處理制備的高強度Al-Mg-Sc合金的微觀組織，析出相和力學性能的理解。因此有必要進一步研究微觀結構和析出相的形成機理及它們與機械和疲勞性能之間的關系。
此外，動態應變硬化行為（dynamic strain aging, DSA）常出現在Al-Mg系合金中，在拉伸過程中形成隨應力鋸齒狀跌落的雪崩式剪切變形帶，也就是鋸齒狀的拉伸應力應變曲線。盡管之前的研究工作 證實，可以通過調控拉伸速率和溫度之間的相關性來降低或避免不穩定的Al-Mg系合金塑性流動，然而在微觀結構的影響方面仍具爭議，具體表現為析出相的引入對Al-Mg系合金在拉伸過程中不穩定的塑性流動起到了促進還是抑制作用。因此通過對LPBF制備的高強度Al-Mg-Sc合金中DSA行為的研究，可以為優化微觀結構以促進穩定變形提供參考
澳大利亞新南威爾士大學聯合中國工程物理研究院機械制造技術研究所的研究人員通過LPBF成功制備了沒有明顯加工缺陷的含有Sc和Zr的高強度Al-5024合金。對LPBF制備的Al-5024合金中雙峰態晶粒分布的形成機制，以及通過熱等靜壓和兩步過時效處理對所得的微觀結構和力學行為進行了研究。
展開 《Acta Materialia》時效硬化Al-Mn-Zr合金蠕變過程的溶質誘導強化
鑄態下，Al-0.5Mn-0.02Si蠕變應力指數na為9~7，初始蠕變可以忽略，蠕變比純Al慢6-7個數量級，這與閾值應力的存在相一致。這一閾值應力歸因于Mn溶質原子與位錯的相互作用。L12強化的Al-0.5Mn-0.09Zr-0.05Er-0.05Si合金與無Mn強化的合金相比，其抗蠕變能力顯著增強。Al-0.5Mn-0.02Si合金時效形成的枝晶間α-Al(Mn,Fe)Si析出相使部分Mn從固溶中析出，閾值應力并沒有明顯增加。枝晶間α-析出相對Al-0.5Mn-0.09Zr-0.05Er-0.05Si合金的抗蠕變性能的影響較小。本文有助于高溫鋁合金的設計研究。
展開 從經典熱力學到CALPHAD和ICME方法 材料設計和開發時代已經離我們越來越近
圖1 利用Scheil模型模擬的Cu-Cr-Nb-Zr合金的凝固路徑和合金中相的摩爾分數與溫度的函數關系
圖2為試樣合金的微觀組織形貌分析，從（a）中可以看出，在較大的含Cr析出相的周圍分布有一些Cr2Nb C15 Laves析出相，Zr元素均勻分布在基體和Laves相中，尺寸范圍在300-500nm的Cr2Nb Laves析出組織一般沿晶界、位錯線和堆垛層錯附近分布。
圖2 試樣合金的微觀組織形貌分析
（a）試樣合金的明場TEM圖像，（b）含Cr析出相的<111> SADP，（c）選區內Laves相的HRTEM圖像，（d）<110> SADP，（e）、（f）分別為Cr和Nb元素的成分分布圖
圖3顯示出尺寸范圍在150-350nm的較為粗大的含Cr沉淀相在凝固后期或者固溶處理過程中在晶界和晶粒內部析出，尺寸為5-10nm的細小含Cr析出相在475°C的時效過程中從Cu基體中析出，這種致密相與基體形成共格界面，有利于提高合金的抗拉強度。
圖3 （A-B）1CCNZ_a_70(試樣)合金的TEM圖像，（C-D）粗大的含Cr析出組織附近的晶界潔凈區（Grain Boundary Denuded Zone）
這種微觀組織中的析出相呈現多模態分布的新型Cu基合金，即在晶界處生成粗大相、在基體中生成細小致密相，可以有效地阻礙位錯運動和晶界滑移，使得材料具有良好的熱傳導、抗拉強度、延展性和抗熱蠕變性能，如圖4所示。
展開 馬普所《Scripta Materialia》：納米析出G相與奧氏體的取向關系
G相可以在各種鋼中析出，其中M=Ti、Mn、Cr和X=Ni、Fe是最常見的組合。在經過熱處理的雙相鋼中，相在鐵素體相中析出，呈立方對立方取向關系。晶界上較大的G相與脆性有關，但位錯上G相的析出能夠提高強度和抗蠕變性。因此，G相在鐵素體和雙相不銹鋼中十分重要。現有研究已經提出G相與奧氏體之間存在一定取向關系，但是大多數報道沒有說明優先取向關系，G相的取向關系和析出過程經常被混淆或錯誤識別。
德國馬克斯-普朗克研究所的一項最新研究通過透射電鏡（TEM）內的掃描納米電子束衍射（NBED）闡明離子輻照奧氏體中納米級（10-20nm）G相析出相的取向關系。相關論文以題為“Investigation of the orientation relationship between nano-sized G-phase precipitates and austenite with scanning nano-beam electron diffraction using a pixelated detector”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113930
本文使用的奧氏體鋼為Fe-15Ni-15Cr-1.8Mn-1.2Mo-0.5Ti-0.6Si-0.1C，晶粒尺寸為10-15μm。檢測過程中的一個挑戰是衍射圖既包含微小析出相的弱信號，又有析出相上方和下方基體的強信號，本文通過試驗表明，使用ASTAR系統進行NBED數據收集的常規方法對檢測微弱的G相反應不靈敏。因此最終選擇使用快速TEM CAM-XF416像素化CMOS檢測器采集衍射數據。
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