[论文解读] Unconventional phase selection in high-driven systems: A complex metastable structure prevails over simple stable phases

Zhuo Ye, Feng Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Metallic Glasses and Amorphous AlloysEngineering参考文献 32被引用 18

一句话总结

本研究揭示了在高驱动力体系中一种非传统的相选择机制：在Al-10%Sm合金中，一种复杂的亚稳态立方相（晶格参数1.4 nm，约140个原子）优先于更简单、热力学稳定的相形成。该相通过与非晶基体中结构有序相关的低势垒路径成核，并因高缺陷容忍度而快速生长，从而绕过了传统的成核路径。

ABSTRACT

Phase selection in deeply undercooled liquids and devitrified glasses during heating involves complex interplay between the barriers to nucleation and the ability for these nuclei to grow. During the devitrification of glassy alloys, complicated metastable structures often precipitate instead of simpler, more stable compounds. Here, we access this unconventional type of phase selections by investigating an Al-10%Sm system, where a complicated cubic structure first precipitates with a large lattice parameter of 1.4 nm. We not only solve the structure of this "big cubic" phase containing ~140 atoms but establish an explicit interconnection between the structural orderings of the amorphous alloy and the cubic phase, which provides a low-barrier nucleation pathway at low temperatures. The surprising rapid growth of the crystal is attributed to its high tolerance to point defects, which minimize the short-scale atomic rearrangements to form the crystal. Our study suggests a new scenario of devitrification, where phase transformation proceeds initially without partitioning through a complex intermediate crystal phase.

研究动机与目标

• 理解在过冷非晶合金失稳过程中，为何复杂的亚稳态相会优先于更简单、热力学更稳定相形成。
• 识别在高驱动力体系中促进复杂立方相快速生长的成核机制。
• 建立非晶基体与亚稳态晶体相之间的结构关联。
• 探讨缺陷容忍度在实现快速晶体生长且无需大量原子重排中的作用。
• 提出一种新的失稳路径，通过复杂亚稳态相绕过中间相。

提出的方法

• 利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和电子衍射对亚稳态立方相进行结构表征。
• 采用从头算分子动力学模拟评估成核势垒和原子重排。
• 利用反向蒙特卡洛建模分析非晶结构，以识别局部有序性。
• 将非晶相中的结构特征与晶体结构相关联，以识别低势垒成核路径。
• 通过能量计算和原子位移分析，定量评估缺陷容忍度。
• 比较复杂相与更简单稳定相比的成核与生长动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在高驱动力体系中，复杂的亚稳态立方相会优先于更简单、热力学更稳定相形成？
• RQ2 非晶基体中的哪些结构特征使得复杂立方相能够实现低势垒成核？
• RQ3 高缺陷容忍度如何促进亚稳态相的快速生长？
• RQ4 该转变路径是否可以无需通过中间相的逐级分解来解释？
• RQ5 非晶合金与析出的立方相之间存在明确的结构关系是什么？

主要发现

• Al-10%Sm中的亚稳态立方相具有1.4 nm的较大晶格参数，包含约140个原子。
• 建立了非晶基体中局部有序性与立方相晶体结构之间的直接结构关联，从而实现了低势垒成核路径。
• 该相表现出对点缺陷的高容忍度，显著减少了生长过程中的原子重排需求。
• 尽管相结构复杂，但快速晶体生长仍可实现，这归因于缺陷容忍度高和成核势垒低。
• 失稳过程通过直接转化为复杂亚稳态相进行，绕过了传统中间相。
• 本研究揭示了一种新的失稳情景：由于动力学优势，复杂的亚稳态相主导了热力学稳定相。