[论文解读] Segregation competition and complexion coexistence within a polycrystalline grain boundary network

Pulkit Garg, Zhiliang Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Microstructure and mechanical properties参考文献 94被引用 4

一句话总结

本研究利用混合蒙特卡洛/分子动力学模拟，探究多晶Cu-Zr合金中界面偏析与晶相转变行为。研究揭示了晶界处Zr偏析的非均匀性，局部浓度可比全局平均高出一个数量级，并证实了在高温下有序相与非晶相共存，凸显了多晶网络中结构与成分的多样性。

ABSTRACT

Interfacial segregation can stabilize grain structures and even lead to grain boundary complexion transitions. However, understanding of the complexity of such phenomena in polycrystalline materials is limited, as most studies focus on bicrystal geometries. In this work, we investigate interfacial segregation and subsequent complexion transitions in polycrystalline Cu-Zr alloys using hybrid Monte Carlo/molecular dynamics simulations. No significant change in the grain size or structure is observed upon Zr dopant addition to a pure Cu polycrystal at moderate temperature, where grain boundary segregation is the dominant behavior. Segregation within the boundary network is inhomogeneous, with some boundaries having local concentrations that are an order of magnitude larger than the global value and others having almost no segregation, and changes to physical parameters such as boundary free volume and energy are found to correlate with dopant concentration. Further, another alloy sample is investigated at a higher temperature to probe the occurrence of widespread transitions in interfacial structure, where a significant fraction of the originally ordered boundaries transition to amorphous complexions, demonstrating the coexistence of multiple complexion types, each with their own distribution of boundary chemical composition. Overall, this work highlights that interfacial segregation and complexion structure can be diverse in a polycrystalline network. The findings shown here complement existing computational and experimental studies of individual interfaces and help pave the way for unraveling the complexity of interfacial structure in realistic microstructures.

研究动机与目标

• 超越简化的双晶模型，理解多晶材料中界面偏析与晶相转变行为。
• 探究掺杂浓度及边界特异性性质如何影响真实微观结构中的偏析行为。
• 探索在单一多晶网络中，有序相与非晶相等多种晶相类型是否可共存。
• 将界面自由体积与能量的变化与局部掺杂偏析及结构转变相联系。

提出的方法

• 采用混合蒙特卡洛/分子动力学模拟，以模拟多晶Cu-Zr体系中的原子尺度动力学与热力学行为。
• 在中等温度与高温条件下进行模拟，以探究偏析与相变行为。
• 分析晶界网络中的局部掺杂浓度、自由体积与能量，以关联其与结构状态的关系。
• 追踪界面结构的演化，以检测从有序相向非晶相转变的过程。
• 通过边界特异性性质的统计分析，识别其与偏析水平及结构状态之间的相关性。
• 模型包含具有不同边界类型与取向的现实多晶微观结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等温度下，Zr偏析在多晶Cu基体的晶界上如何分布？
• RQ2 局部边界性质（如自由体积与能量）在决定偏析行为中起何种作用？
• RQ3 在热激活条件下，多个晶相类型是否可在单一多晶网络中共存？
• RQ4 从有序相向非晶相的结构转变在多大程度上发生？其与局部成分的关系如何？
• RQ5 在多晶中，不同晶界处的化学成分与界面结构分布如何变化？

主要发现

• 多晶Cu中Zr偏析高度不均匀，局部浓度可比全局平均高出一个数量级。
• 自由体积与能量较高的晶界表现出更强的Zr偏析，表明结构性质与化学性质之间存在直接关联。
• 在高温下，大量初始为有序的晶界发生向非晶相的转变。
• 观察到有序相与非晶相共存，二者具有独特且非均匀的化学组成。
• 在中等温度下未观察到显著的晶粒长大或结构重排，表明偏析主导于微观结构演化。
• 研究结果表明，多晶体系中界面行为的异质性远超基于整体平均模型的预测。