晶界偏析工程
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-22
晶界偏析工程的實例教程
因為通過溶質原子的晶界偏析工程可以用來控制金屬微觀結構，提高各種合金的強度和韌性。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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鋁對鎂合金的服役條件也有影響，通常是提高耐腐蝕性，已有研究顯示鋁具有在晶界(GBs)處偏析的趨勢，形成Mg17Al2析出。這些析出相是值得研究的，因為磁性材料優先腐蝕晶界處，或者該相可以作為腐蝕的物理屏障，具體取決于析出相的體積分數。此外，該相的形成通常會影響合金的機械性能，大部分會降低延展性。因此，研究這些相形成時鋁原子的偏析對于更好的開發鎂合金至關重要，雖然已有研究通過MD模擬對微觀結構進行建模，但是現有報道沒有將模擬結果與機器學習結合應用于鎂合金。
美國密歇根大學的研究人員首次將模擬結果與機器學習和數據科學技術結合應用于鎂合金研究，將鋁的偏析能量量化為鎂的不同對稱傾斜晶界(STGB)的數據集。相關論文以題為“Machine learning to predict aluminum segregation to magnesium grain boundaries”發表在Scripta Materialia。
展開 晶粒長大還導致晶內Pt被排斥到GB中。預計NbCoSn-Pt-AN的較大晶粒尺寸會在GB處具有更多的Pt，從而導致更高的σGB值。
圖1 NbCoSn、NbCoSn-Pt和NbCoSn-Pt-AN的加權遷移率和質量因子B的溫度依賴性
圖2NbCoSn-Pt和NbCoSn-Pt-AN的背散射電子(BSE)圖
圖3 NbCoSn-Pt的APT分析
圖4在兩個APT數據集中，NbCoSn-Pt-AN的GB上的一維成分分布圖
圖5 NbCo(Pt)Sn的背散射圖像和EDS圖
本文發現電荷載流子的GB散射是NbCo1-xPtxSn HH合金的主要散射機制，能夠降低低溫下的加權遷移率。在SPS后退火，NbCoSn-Pt-AN在室溫下的加權遷移率是NbCoSn-Pt的兩倍。表明了摻雜劑偏析(本文中為Pt)可以完全抵消與GBs相關的空間電荷效應，從而導致整體較高的電導率。通過調整材料的成分和加工工藝，可以利用晶界工程來控制GB的傳輸性能，為優化TE性能開辟了新的可能性。（文：破風）
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展開 為準確研究晶界偏聚及其影響，研究者對實驗進行了精心設計，排除其他因素的影響，包括初始晶粒尺寸、織構、晶界類型以及第二相，基于負混合焓和最小化晶界位錯彈性應變原則，發現了添加微量RE元素可以顯著提高鎂合金中常用元素（Zn和Ca）的偏聚濃度，有效抑制退火過程中的晶粒長大（圖1）。另外，也證實晶界偏聚濃度的增加可以提高擠壓合金的屈服強度。利用微量稀土元素添加提高晶界偏聚水平，為設計和開發低合金化高性能鎂合金提供了新思路。（MSEA831 (2022) 142259）
圖1 (a) 無稀土鎂合金和 (c) 含微量稀土鎂合金的晶界偏聚含量; (b) 無稀土鎂合金和 (d) 含微量稀土鎂合金在相同退火條件下的晶粒長大情況；（e）不同退火狀態下含/不含稀土鎂合金的屈服強度。
基于以上晶界偏聚研究，研究者通過合金化設計結合低溫低速擠壓+退火工藝，綜合利用晶界偏聚和位錯調控，提出一種開發低合金化高強塑性鎂合金的新方法。首先,采用低溫低速擠壓工藝制備出超高強度低合金化Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn（wt%）合金，該擠壓合金屈服強度達到453MPa，但塑性較差（延伸率僅3.2%）（圖2），超高的強度主要源于擠壓過程中形成的含有高密度殘余位錯和納米錳沉淀的細晶結構。然后，協同考慮位錯回復、靜態再結晶和晶粒生長等因素，采用350°C作為退火溫度，退火15分鐘后的合金（HT15合金）表現出高強度和高塑性的優異組合，其中，屈服強度為403MPa，伸長率為15.5%（圖2）。
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因為通過溶質原子的晶界偏析工程可以用來控制金屬微觀結構，提高各種合金的強度和韌性。
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鎂合金作為最輕的金屬結構材料，在航空航天、武器裝備、汽車、3C電子等領域具有巨大的應用潛力。然而，高強度和高塑性難以協調一直是限制鎂合金廣泛應用的主要阻礙。目前，開發的典型高強/超高強鎂合金是高稀土含量的時效型變形鎂合金，合金的強化主要源于納米沉淀、細晶結構以及強織構。這類合金的高強度通常伴隨著低塑性，此外高稀土含量也意味著高成本和高密度。因此，在低合金化條件下制備高強塑性鎂合金逐漸成為研究的熱點
鎂合金在結構合金領域是非常輕的金屬。由于這種高比強度特性導致其在航空航天、汽車和國防工業中均有應用，因此人們對鎂合金產生了濃厚的興趣。但是，此類合金的用途受到限制，主要是由于它們的耐腐蝕性、可成形性差和抗蠕變性低。鎂合金中通常會添加鋁元素。鋁改善了合金的多種性能，包括硬度、強度和可鑄性。鋁對鎂合金的服役條件也有影響，通常是提高耐腐蝕性，已有研究顯示鋁具有在晶界(GBs)處偏析的趨勢，形成Mg17A
熱電(TE)裝置利用塞貝克效應直接將熱梯度轉化為電能。這種對環境十分友好的能源轉換方法可以收集廢熱，作為不可再生的石油化工燃料發電的替代或補充具有廣闊的應用前景。此外，一些先進的TE模塊已經成功開發，將人體的熱量轉化為可穿戴設備的能量。許多有前景的材料已被開發用于TE應用，例如Bi2Te3、Mg3Sb2、半赫斯勒(HH)，GeTe等。在這些材料中，具有化學計量學XYZ的HH合金作為最先進的TE材料
