導讀：晶界狀態（Grain boundary complexions）轉變會導致晶界性質的變化，本文建立了摻釔氧化鋁系統的參數化介觀模型，研究晶界狀態轉變影響下的晶粒生長行為。發現第二相析出的形成，在某些情況下會導致異常晶粒長大，減小最大晶粒尺寸，但對共存區域的異常晶粒長大行為影響不大。整個溶質的不均勻性會導致更強的異常晶粒生長行為。
眾所周知，晶界是結構相同而取向不同晶粒之間的界面。在晶界面上，原子排列從一個取向過渡到另一個取向，故晶界處原子排列處於過渡狀態。大多數的固體金屬及其他合金均由數10億多晶粒組成的。它們會被晶界隔開，晶界會導致材料變脆容易產生破裂，但其中一些晶界可以很好地阻礙位錯運動進而增強材料性能。人們認為，這種行為也會導致多晶材料中的異常晶粒生長(AGG)。
目前，已經在許多系統中證明了晶界狀態（Grain boundary complexions）轉變會導致晶界性質的變化，例如晶界遷移率。這種晶界遷移率的變化被認為是幾種摻雜氧化物系統中AGG的原因，也可能在某些金屬系統中引起AGG。這種從晶界相變到微觀組織演化的突現行為以前已經被用於構建晶界相變時間-溫度-轉變圖。因為多晶材料中異常晶粒的存在會引起塊狀材料性能的巨大變化，如屈服強度、斷裂韌性、抗脆性和磁性，晶界相變對異常晶粒生長行為的影響在材料加工中具有特別重要的意義。在正常晶粒生長過程中，晶界區域隨時間向曲率中心遷移而消除。這個過程的動力學已經被廣泛的數學建模。
近日，來自美國的疾病控制與預防中心陸軍研究實驗室和太平洋西北國家實驗室的一項最新研究，通過Monte Carlo Potts方法建立了摻釔氧化鋁系統的參數化介觀模型。該模型可以有效地專門用來研究Al2O3-Y2O3系統在晶界狀態轉變情況下的行為。摻釔氧化鋁是一種著名的陶瓷體系，它在晶界經歷一級類相變，可以從根本上改變界面性質。界面性質的改變反過來會從根本上改變加工過程中的顯微組織結果，包括誘導異常晶粒生長模式。相關論文以題為「A model of grain boundary complexion transitions and grain growth in Yttria-doped alumina」發表在金屬材料領域頂刊Acta Materialia。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.061
在這項工作中，該作者開發了氧化鋁微結構隨氧化釔濃度和溫度變化的模擬。在研究過程中，研究者在識別大晶粒、小晶粒、異常晶粒長大和狀態轉變動力學方面與實驗結果取得了很好的一致效果。並且應用該模型研究和論證了第二相粒子可能的夾雜或溶質分布不均勻對微觀結構演變的影響。研究發現，析出粒子對晶粒的異常長大沒有明顯的影響（但確實通過釘扎效應導致晶粒尺寸的減小）。少量的溶質不均勻性會導致顯微組織結果的實質性變化，經常導致異常晶粒的聚集。這個模型在很大程度上證實了氧化物摻雜氧化鋁系統實驗研究的預期和假設。此外，還發現該體系存在一個峰值轉變分數，在該峰值處異常晶粒尺寸趨於最大。
圖1. 三種不同情況的溶質分布在溶解度極限之上和之下的示意圖
圖2晶粒結構尺寸
圖3. 溫度和溶質的函數
圖4. （a）相對晶粒面積（b）晶粒生長模式
圖5.（a）微觀結構（b）溶質濃度
圖6. 過渡晶粒邊界面積分數(Y)的JMAK擬合
總的來說，在模擬過程中對於任何給定的晶界表面材料，當轉變形核的概率是均勻時，就會出現異常晶粒長大。即狀態轉變可能是摻雜氧化鋁材料中出現的異常晶粒生長的來源。結合轉變動力學的分析發現，JMAK指數與報導的Y2O3摻雜Al2O3的JMAK指數有很好的一致性。考慮第二相析出的形成，在某些情況下會導致異常晶粒長大，減小最大晶粒尺寸，但對共存區域的異常晶粒長大行為影響不大。相反，整個溶質不均勻性導致更強的異常晶粒生長行為，產生非常大的異常晶粒，這些異常晶粒經常聚集在一起，直到單個晶粒在其中勝出。
在描述異常晶粒長大原因時，非均勻雜質的存在可以被認為是一個重要的因素，在製備狀態轉變交叉點附近的陶瓷樣品時，應該考慮不均勻雜質的存在，或者將其作為微結構工程的一種精心設計的策略。因此，該作者展示了一種有效且有力的模擬方法來研究各種相似材料體系中晶界狀態轉變影響下的晶粒生長行為。最後，應該說明一點，雖然這種方法嚴重依賴於少量的實驗數據點和用於估計物理參數的幾個假設，但高通量表徵技術和晶界性質的原子尺度模擬的進步應該會提高未來這些模擬的精度。（文：馮馮）
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