近日，東北大學(xué)材料學(xué)院秦高梧教授團(tuán)隊(duì)在擴(kuò)散型固態(tài)相變領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了非界面位錯(cuò)誘導(dǎo)的拓?fù)涿芏眩═CP）析出相形核與長大臺階生長新機(jī)制，完全不同于傳統(tǒng)認(rèn)知。相關(guān)成果以“Structural pathway for nucleation and growth of topologically close-packed phase from parent hexagonal crystal”為題發(fā)表于金屬領(lǐng)域期刊Acta Materialia。東北大學(xué)為唯一完成單位，材料學(xué)院博士研究生白俊源為第一作者，龐學(xué)永副教授、秦高梧教授為通訊作者。

固態(tài)相變歷來是調(diào)控結(jié)構(gòu)材料和功能材料的有效手段。對于給定相變，明晰母相轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物相的形成路徑對于理解并控制相變是至關(guān)重要的。然而，由于相變的瞬態(tài)特性，目前僅有少數(shù)簡單晶體結(jié)構(gòu)之間的非擴(kuò)散（位移）型相變路徑得到了深入研究，如著名的Bain路徑(bcc↔fcc)及Burgers路徑（bcc↔fcc）。固體擴(kuò)散型形核-長大相變，包括簡單到簡單（simple→simple）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（如fcc→L1₂, hcp→D0₁₉, fcc→hcp等）和簡單到復(fù)雜結(jié)構(gòu)(simple→complex)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，前者一般是通過原子有序化或者不全位錯(cuò)的滑移機(jī)制完成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并形成廣泛共識。然而，合金中的simple→complex相變一直缺乏深刻認(rèn)知。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)技術(shù)通常無法提供足夠的時(shí)空分辨率以捕捉原子行蹤，而理論模擬則常常受到原子間勢函數(shù)精度不足或無法在傳統(tǒng)的納秒時(shí)間尺度內(nèi)捕捉固體成核等小概率事件的限制。因此，理解固體擴(kuò)散型相變中的形核和生長機(jī)制始終是固態(tài)相變領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

為闡明simple→complex擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變涉及的形核-長大路徑，該工作以鎂合金為模型材料，使用第一性原理計(jì)算系統(tǒng)地研究了hcp結(jié)構(gòu)Mg基體內(nèi)一系列TCP相（包括Laves及Laves-like相）原位形核與長大的結(jié)構(gòu)路徑。通過引入TCP結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)新定義，我們的計(jì)算確定了hcp→TCP析出轉(zhuǎn)變中的基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變單元（BSTU）為一種3層不穩(wěn)定的hcp有序結(jié)構(gòu)。通過第一性原理中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這些BSTU有序原子團(tuán)簇并不穩(wěn)定，一旦它們在基體中生成便會(huì)自發(fā)坍塌形成TCP結(jié)構(gòu)（圖1所示）。并且整個(gè)結(jié)構(gòu)演變過程均由此BSTU引導(dǎo)完成，致使hcp基體內(nèi)TCP盤狀沉淀的生成始于3層有序結(jié)構(gòu)，并以2層原子為厚度單位增厚，其層數(shù)/厚度演變規(guī)律總結(jié)為：N=3+2n （其中N為TCP沉淀的總層數(shù)，n為增厚的次數(shù)），如圖2所示。該結(jié)構(gòu)演變路徑得到了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，并且利用該路徑該工作進(jìn)一步評估了Mg₂Ca及MgZn₂ 兩種Laves相析出過程中臨界形成核的原子結(jié)構(gòu)及尺寸。

圖1、不穩(wěn)定的3層hcp有序結(jié)構(gòu)單元形核示意圖

該研究工作發(fā)現(xiàn)hcp→TCP轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出明顯的非經(jīng)典形核行為，即結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的發(fā)生僅取決于大尺寸原子的分布，這導(dǎo)致實(shí)際TCP沉淀易于出現(xiàn)多型性及偏離化學(xué)計(jì)量比的現(xiàn)象，據(jù)此統(tǒng)一了國內(nèi)外不同研究組實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異性的本源。Hcp→TCP轉(zhuǎn)變屬于不需要額外原子參與的保守型轉(zhuǎn)變，整個(gè)轉(zhuǎn)變過程中除原子擴(kuò)散外，僅涉及shuffle-based的位移。特別地，我們強(qiáng)調(diào)TCP盤狀增厚過程中臺階的形核主要取決于在TCP盤共格表面上形成新的BSTU，并且這里的臺階并不具備傳統(tǒng)固態(tài)相變理論所考慮的界面位錯(cuò)屬性。該研究工作不僅完善了納米析出相臺階生長機(jī)制的材料科學(xué)理論（即傳統(tǒng)的界面位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)的layer-by-layer臺階生長機(jī)制和新發(fā)現(xiàn)的非界面位錯(cuò)tri-layer臺階生成機(jī)制），而且為未來TCP相強(qiáng)化金屬材料的耐熱性與抗蠕變性能提出新的設(shè)計(jì)策略。

圖2、Hcp基體內(nèi)TCP盤狀析出相的結(jié)構(gòu)演變路徑示意圖

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424003513