[论文解读] Role of interface morphology on the martensitic transformation in pure Fe

Pawan K. Tripathi, Shivraj Karewar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Microstructure and Mechanical Properties of Steels参考文献 52被引用 20

一句话总结

本研究通过经典分子动力学模拟，比较了纯铁在Nishiyama-Wasserman取向关系下，平面与台阶状界面的马氏体相变。研究发现，应变错配位错网络驱动界面处的原子位移，而台阶则引发堆垛层错，降低界面迁移率；值得注意的是，平面与台阶状界面的迁移率随温度变化趋势相反，为不同形貌下的相变机制提供了统一视角。

ABSTRACT

Using classical molecular dynamics simulations, we study austenite to ferrite phase transformation in iron, focusing on the role of interface morphology. We compare two different morphologies; a extit{flat} interface in which the two phases are joined according to Nishiyama-Wasserman orientation relationship vs. a extit{ledged} one, having steps similar to the vicinal surface. We identify the atomic displacements along a misfit dislocation network at the interface leading to the phase transformation. In case of extit{ledged} interface, stacking faults are nucleated at the steps, which hinder the interface motion, leading to a lower mobility of the inter-phase boundary, than that of flat interface. Interestingly, we also find the temperature dependence of the interface mobility to show opposite trends in case of extit{flat} vs. extit{ledged} boundary. We believe that our study is going to present a unified and comprehensive view of martensitic transformation in iron with different interface morphology, which is lacking at present, as extit{flat} and extit{ledged} interfaces are treated separately in the existing literature.

研究动机与目标

• 通过直接比较平面与台阶状界面，解决关于马氏体相变界面迁移率的相互矛盾报告。
• 研究界面形貌如何影响纯铁奥氏体向铁素体转变过程中的原子尺度机制。
• 通过整合通常孤立研究的平面与台阶状界面行为，提供对马氏体相变的统一理解。
• 阐明应变错配位错网络与台阶诱导的堆垛层错在调控界面运动与相变动力学中的作用。

提出的方法

• 采用一致的原子间势、边界条件及热/压强控制，进行经典分子动力学（MD）模拟。
• 模拟了两种不同的界面形貌：遵循Nishiyama-Wasserman取向关系的平面界面，以及具有类似倾斜面结构的台阶状界面。
• 实时追踪原子位移，以识别驱动界面相变的机制。
• 量化两种形貌下界面迁移率随温度的变化，评估其热依赖性。
• 采用通用邻域分析（CNA）及位错识别工具（如AADIS）进行结构分析，以表征位错网络与堆垛层错。
• 模拟采用Fe的MEAM势，在NVT系综下进行，使用Nosé-Hoover恒温器与Parrinello-Rahman恒压器。

实验结果

研究问题

• RQ1 界面形貌（平面与台阶状）如何影响纯铁马氏体相变的原子尺度机制？
• RQ2 应变错配位错网络在相变过程中如何介导原子位移？
• RQ3 为何平面与台阶状界面的界面迁移率随温度变化趋势相反？
• RQ4 台阶上形成的堆垛层错如何影响两相界面对迁移率的影响？
• RQ5 界面形貌与缺陷结构在多大程度上决定相变动力学与路径？

主要发现

• 相变由界面处应变错配位错网络的协调原子位移驱动，该效应在平面界面中更为显著。
• 在台阶状界面中，堆垛层错在台阶处形核，作为阻碍，降低两相界面迁移率，相较于平面界面更低。
• 平面界面的迁移率随温度升高而增加，而台阶状界面的迁移率随温度升高而降低，表明趋势相反。
• 仅在台阶状界面中观察到具有非平面分量的原子运动，表明存在一种涉及台阶介导生长的特殊相变路径。
• 研究发现，台阶作为BCC相的优先形核位点，界面运动受台阶矢量引导。
• 研究结果为理解不同界面形貌下的马氏体相变提供了统一框架，调和了以往关于迁移率的相互矛盾报告。