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导读：晶界状态（Grain boundary complexions）转变会导致晶界性质的变化，本文建立了掺钇氧化铝系统的参数化介观模型，研究晶界状态转变影响下的晶粒生长行为。发现第二相析出的形成，在某些情况下会导致异常晶粒长大，减小最大晶粒尺寸，但对共存区域的异常晶粒长大行为影响不大。整个溶质的不均匀性会导致更强的异常晶粒生长行为。
众所周知，晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。大多数的固体金属及其他合金均由数10亿多晶粒组成的。它们会被晶界隔开，晶界会导致材料变脆容易产生破裂，但其中一些晶界可以很好地阻碍位错运动进而增强材料性能。人们认为，这种行为也会导致多晶材料中的异常晶粒生长(AGG)。
目前，已经在许多系统中证明了晶界状态（Grain boundary complexions）转变会导致晶界性质的变化，例如晶界迁移率。这种晶界迁移率的变化被认为是几种掺杂氧化物系统中AGG的原因，也可能在某些金属系统中引起AGG。这种从晶界相变到微观组织演化的突现行为以前已经被用于构建晶界相变时间-温度-转变图。因为多晶材料中异常晶粒的存在会引起块状材料性能的巨大变化，如屈服强度、断裂韧性、抗脆性和磁性，晶界相变对异常晶粒生长行为的影响在材料加工中具有特别重要的意义。在正常晶粒生长过程中，晶界区域随时间向曲率中心迁移而消除。这个过程的动力学已经被广泛的数学建模。
近日，来自美国的疾病控制与预防中心陆军研究实验室和太平洋西北国家实验室的一项最新研究，通过Monte Carlo Potts方法建立了掺钇氧化铝系统的参数化介观模型。该模型可以有效地专门用来研究Al2O3-Y2O3系统在晶界状态转变情况下的行为。掺钇氧化铝是一种著名的陶瓷体系，它在晶界经历一级类相变，可以从根本上改变界面性质。界面性质的改变反过来会从根本上改变加工过程中的显微组织结果，包括诱导异常晶粒生长模式。相关论文以题为“A model of grain boundary complexion transitions and grain growth in Yttria-doped alumina”发表在金属材料领域顶刊Acta Materialia。
论文链接：
在这项工作中，该作者开发了氧化铝微结构随氧化钇浓度和温度变化的模拟。在研究过程中，研究者在识别大晶粒、小晶粒、异常晶粒长大和状态转变动力学方面与实验结果取得了很好的一致效果。并且应用该模型研究和论证了第二相粒子可能的夹杂或溶质分布不均匀对微观结构演变的影响。研究发现，析出粒子对晶粒的异常长大没有明显的影响（但确实通过钉扎效应导致晶粒尺寸的减小）。少量的溶质不均匀性会导致显微组织结果的实质性变化，经常导致异常晶粒的聚集。这个模型在很大程度上证实了氧化物掺杂氧化铝系统实验研究的预期和假设。此外，还发现该体系存在一个峰值转变分数，在该峰值处异常晶粒尺寸趋于最大。
图1. 三种不同情况的溶质分布在溶解度极限之上和之下的示意图
图2晶粒结构尺寸
图3. 温度和溶质的函数
图4. （a）相对晶粒面积（b）晶粒生长模式
图5.（a）微观结构（b）溶质浓度
图6. 过渡晶粒边界面积分数(Y)的JMAK拟合
总的来说，在模拟过程中对于任何给定的晶界表面材料，当转变形核的概率是均匀时，就会出现异常晶粒长大。即状态转变可能是掺杂氧化铝材料中出现的异常晶粒生长的来源。结合转变动力学的分析发现，JMAK指数与报道的Y2O3掺杂Al2O3的JMAK指数有很好的一致性。考虑第二相析出的形成，在某些情况下会导致异常晶粒长大，减小最大晶粒尺寸，但对共存区域的异常晶粒长大行为影响不大。相反，整个溶质不均匀性导致更强的异常晶粒生长行为，产生非常大的异常晶粒，这些异常晶粒经常聚集在一起，直到单个晶粒在其中胜出。
在描述异常晶粒长大原因时，非均匀杂质的存在可以被认为是一个重要的因素，在制备状态转变交叉点附近的陶瓷样品时，应该考虑不均匀杂质的存在，或者将其作为微结构工程的一种精心设计的策略。因此，该作者展示了一种有效且有力的模拟方法来研究各种相似材料体系中晶界状态转变影响下的晶粒生长行为。最后，应该说明一点，虽然这种方法严重依赖于少量的实验数据点和用于估计物理参数的几个假设，但高通量表征技术和晶界性质的原子尺度模拟的进步应该会提高未来这些模拟的精度。（文：冯冯）
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