多晶材料的晶粒通常会随热处理的温度增加而长大，而再结晶过程也可能会导致短暂的晶粒尺寸的降低，目前，通过适当的合金设计已经可以 制备热稳定的纳米晶材料，即晶粒的生长在较大的温度范围内停滞了。即便如此，也无法在升温过程中使晶粒尺寸减小；这是由于在较高的温度下 ，即使体系的吉布斯自由能的变化允许晶粒减小，也缺乏产生新的晶界的机制，从而导致无法获得尺寸减小的。而通过设计具有同素异构相转变特 性的纳米晶合金，则可回避界面生成这一范式。而本文所述Fe-Au合金通过α（低温相）↔ γ（高温相） 循环相转变，高温相具有稳定的细晶粒 结构，其晶粒尺寸比低温相更小。

图1

在合金材料中，晶粒尺寸变化所造成的能量变化受到晶界偏析及总体晶界数量的影响。首先，晶粒越细，则更有利于偏析，而晶粒中固溶元素 在晶界上的偏析有利于降低由于固溶而造成的晶格畸变能，而另一方面晶粒尺寸减小则需要增加界面总数从而使得总的界面能升高，因此，通过结 合上述两种因素，即创造类似再结晶的条件使得晶粒尺寸降低，并通过晶界处的偏析以稳定降低的晶粒尺寸，可以实现高温热处理下的晶粒细化及 保证其稳定性。

在Fe-Au（Fe95Au5，超出Fe对Au的固溶极限）合金中，当温度升高至1000oC时，形成γ-Fe，其晶粒尺寸急剧下降，并在保温过程中增大至 115nm，且不再随着时间增加而长大，该尺寸也小于其低温（800oC）母相α-Fe的晶粒尺寸（图2）。

图2

在Fe-Au合金中，由于Au在高温相γ-Fe中的固溶度更高，在升温使γ-Fe相析出后，原α-Fe中的Au向高温相扩散，并使得高温相饱和。同时， 由于高温相形成于低温相晶界及三晶交界处，则多余Au便会在晶界处沉积从而有效抑制高温相晶粒长大（图3、图4）。

图3

图4

该文章所提出的晶粒细化方案是一种全新的合金材料热处理理念，可用于合成在较宽的高温范围内晶粒尺寸稳定的纳米晶合金，从而获得具有较好高温机械性能的合金材料。同时，该文所提方法也为开发高温合金提供了新的技术方案可能性。

来源：Dor Amram* and Christopher A. Schuh. Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable Phase-Transforming Nanocrystalline Alloy, Physical Review Letters, 2018, 121, 145503.