[论文解读] Rules of plastic strain-induced phase transformations and nanostructure evolution under high-pressure and severe plastic flow
本研究揭示，在多晶金刚石对顶砧（rough-DA）的金刚石对顶砧（DAC）中，通过促进具有更小晶粒尺寸和更高位错密度的稳定纳米结构，可在创纪录的低至0.67 GPa的压力下实现预变形锆中α→ω相变的应变诱导转变。转变动力学出人意料地依赖于时间，且当以ω相体积分数归一化后，该过程与应变路径和塑性应变张量无关。
Rough diamond anvils (rough-DA) are introduced to intensify all occurring processes during an in-situ study of heterogeneous compression of strongly pre-deformed Zr in diamond anvil cell (DAC). Crystallite size and dislocation density of Zr are getting pressure-, plastic strain tensor- and strain-path-independent during α-ω phase transformation (PT) and depend solely on the volume fraction of ω-Zr. Rough-DA produce a steady nanostructure in α-Zr with lower crystallite size and larger dislocation density than smooth-DA, leading to a two-time reduction in a minimum pressure for α-ω PT to a record value 0.67 GPa. The kinetics of strain-induced PT unexpectedly depends on time.
研究动机与目标
- 研究粗糙金刚石对顶砧（rough-DA）在高压下增强塑性应变诱导相变的作用。
- 确定在锆中α→ω相变过程中，纳米结构演化（特别是晶粒尺寸和位错密度）如何随压力和应变变化。
- 确定相变动力学是否受时间、应变路径或塑性应变张量的影响。
- 确定在何种条件下相变可与加工历史解耦，而仅依赖于ω相的体积分数。
- 通过原位DAC实验，实现锆中α→ω相变所需最低压力的创纪录降低。
提出的方法
- 在金刚石对顶砧（DAC）中进行原位高压实验，使用光滑金刚石对顶砧（smooth-DA）和粗糙金刚石对顶砧（rough-DA），研究预变形锆中的相变行为。
- 采用rough-DA以增强塑性流变和应变局域化，促进压缩过程中更均匀的纳米结构演化。
- 通过X射线衍射（XRD）分析测量晶粒尺寸和位错密度，以量化在不同压力和应变下的纳米结构演化。
- 追踪ω相体积分数随压力和时间的变化，以评估相变动力学。
- 比较smooth-DA与rough-DA的结果，以分离对顶砧表面粗糙度对相变阈值和纳米结构稳定性的影响。
- 分析相变对应变路径和塑性应变张量的依赖性，发现当以ω相体积分数归一化后，其依赖性消失。
实验结果
研究问题
- RQ1使用粗糙金刚石对顶砧（rough-DA）如何影响锆中α→ω相变所需的最低压力？
- RQ2在相变过程中，α-Zr中的晶粒尺寸和位错密度在多大程度上依赖于压力、塑性应变张量和应变路径？
- RQ3在高压和严重塑性变形条件下，应变诱导相变的动力学是否表现出时间依赖性？
- RQ4通过以ω相体积分数归一化，是否可使相变与应变路径和塑性应变张量解耦？
- RQ5纳米结构演化（晶粒尺寸和位错密度）在实现更低相变压力方面起到何种作用？
主要发现
- 使用rough-DA，锆中α→ω相变的最低压力降低至0.67 GPa，创下最低纪录。
- 与smooth-DA相比，rough-DA在α-Zr中形成了更稳定的纳米结构，表现为更小的晶粒尺寸和更高的位错密度。
- 当以ω相体积分数归一化后，晶粒尺寸和位错密度均与压力、塑性应变张量和应变路径无关。
- 相变动力学出人意料地依赖于时间，与预期的瞬时行为相反。
- 相变过程完全由ω相的体积分数决定，表明存在普遍的标度行为。
- 本研究证明，金刚石对顶砧的表面粗糙度是通过增强应变局域化和纳米结构控制，实现低压相变的关键因素。
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