多晶材料的晶粒通常會隨熱處理的溫度增加而長大，而再結晶過程也可能會導致短暫的晶粒尺寸的降低，目前，通過適當的合金設計已經可以 制備熱穩定的納米晶材料，即晶粒的生長在較大的溫度范圍內停滯了。即便如此，也無法在升溫過程中使晶粒尺寸減??；這是由于在較高的溫度下 ，即使體系的吉布斯自由能的變化允許晶粒減小，也缺乏產生新的晶界的機制，從而導致無法獲得尺寸減小的。而通過設計具有同素異構相轉變特 性的納米晶合金，則可回避界面生成這一范式。而本文所述Fe-Au合金通過α（低溫相）? γ（高溫相） 循環相轉變，高溫相具有穩定的細晶粒 結構，其晶粒尺寸比低溫相更小。

圖1

在合金材料中，晶粒尺寸變化所造成的能量變化受到晶界偏析及總體晶界數量的影響。首先，晶粒越細，則更有利于偏析，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變能，而另一方面晶粒尺寸減小則需要增加界面總數從而使得總的界面能升高，因此，通過結 合上述兩種因素，即創造類似再結晶的條件使得晶粒尺寸降低，并通過晶界處的偏析以穩定降低的晶粒尺寸，可以實現高溫熱處理下的晶粒細化及 保證其穩定性。

在Fe-Au（Fe95Au5，超出Fe對Au的固溶極限）合金中，當溫度升高至1000oC時，形成γ-Fe，其晶粒尺寸急劇下降，并在保溫過程中增大至 115nm，且不再隨著時間增加而長大，該尺寸也小于其低溫（800oC）母相α-Fe的晶粒尺寸（圖2）。

圖2

在Fe-Au合金中，由于Au在高溫相γ-Fe中的固溶度更高，在升溫使γ-Fe相析出后，原α-Fe中的Au向高溫相擴散，并使得高溫相飽和。同時， 由于高溫相形成于低溫相晶界及三晶交界處，則多余Au便會在晶界處沉積從而有效抑制高溫相晶粒長大（圖3、圖4）。

圖3

圖4

該文章所提出的晶粒細化方案是一種全新的合金材料熱處理理念，可用于合成在較寬的高溫范圍內晶粒尺寸穩定的納米晶合金，從而獲得具有較好高溫機械性能的合金材料。同時，該文所提方法也為開發高溫合金提供了新的技術方案可能性。

來源：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.