学科专业：材料加工工程

论文题目：纳米晶铁基材料α/γ相变与晶粒长大的共生研究

答 辩 人：黄林科

指导教师：刘峰 教授

时    间：2018年11月26日上午9: 00

地    点：西工大友谊校区公字楼334

一、学位论文简介

制备高强高韧金属材料是材料科学领域的研究热点。金属纳米晶材料具有数倍于传统粗晶材料的强度，但热稳定性差、拉伸塑性降低，因而极大限制了此类材料的应用与发展。固态相变(简称相变)和晶粒长大，作为材料热加工中两类典型的固态转变，不仅是纳米晶材料常见的失稳方式，更是实现非均质结构、获得高强高塑纳米晶材料的有效途径。可见，研究固态转变对调控纳米结构、设计新型纳米晶材料具有重要意义。近年来，材料学界围绕纳米晶材料晶粒长大开展了大量研究、取得了丰硕成果。然而，纳米晶材料的相变研究在国内外却十分有限，相关工作大多局限于热力学，动力学工作尚在起步阶段。纳米晶材料中相变与晶粒长大往往共生，但共生背后组织演化及物理机制尚不明确。铁基材料是当前工程应用中最重要的一类材料，其固态相变对于钢铁材料制造加工具有重要作用，尤为引人注目的是先进高强钢设计中涉及的逆奥氏体相变。因此，探究纳米晶铁基材料逆奥氏体相变，对设计新型纳米结构材料、发展先进高强钢都极具意义。

基于此，本文选择模型体系纳米晶Fe₉₁Ni₈Zr₁合金，通过实验、模拟和模型系统探究其升温过程中铁素体(α)/奥氏体(γ)相变：表征相变与晶粒长大共生动力学，揭示共生机制；利用共生调控纳米结构；表征奥氏体生长动力学，揭示晶界约束相变机制；建立纳米晶材料相变动力学模型。主要结论如下：

(1) 通过直接的动力学证据证实相变与晶粒长大共生；两种宏观固态转变共生对应微观相界迁移和晶界迁移共存；相界与晶界之间具有交互作用，即晶界因结构和取向效应会阻碍相界迁移并改变相界迁移方向，晶界处形成的纳米级新相会对晶界施加Zener钉扎力而阻碍晶界迁移。

(2) 纳米晶材料中相变与晶粒长大普遍共生，究其根本，纳米晶材料的相变驱动力和晶粒长大驱动力相当(热力学条件)而晶界迁移的激活能小于或者相当于相界迁移激活能(动力学条件)；相变和晶粒长大共生时会存在交互作用，该交互作用依赖于具体的相变形式；在纳米晶Fe₉₁Ni₈Zr₁合金中利用相变和晶粒长大共生制备出一种新型非均质纳米结构(超细晶奥氏体分布于纳米铁素体基底)，即双相双峰组织，有望获得较优的强韧性匹配。

(3) 纳米晶Fe₉₁Ni₈Zr₁合金α/γ相变温度区间较大，呈现缓慢相变动力学特征；奥氏体生长由扩散型机制控制、生长速率缓慢、伴随着元素配分；高温奥氏体因超细尺寸和合金化效应共同作用，在较宽温度区间内表现出较高热稳定性；高密度晶界是纳米晶Fe₉₁Ni₈Zr₁合金呈现缓慢动力学的本质；晶界在纳米晶材料扩散控制型相变的新相生长中发挥双重作用，即增强体系扩散(增强效应)和利于形成限制的扩散场(约束效应)；晶界约束效应起主要作用：扩散场距离缩短易于软碰撞效应产生，进而导致奥氏体生长速率缓慢，本文将之定义为“晶界约束相变机制”。

(4) 考虑晶界双重作用和晶粒长大效应，修正奥氏体生长扩散模型，耦合Cahn相变动力学模型和晶粒长大模型，建立纳米晶材料扩散控制型α/γ相变动力学模型；模型用于纳米晶Fe₉₁Ni₈Zr₁合金可描述奥氏体生长演化、元素配分、奥氏体体积分数演化以及铁素体晶粒尺寸；基于Cahn相变动力学模型，考虑晶粒长大和相变的交互作用，建立纳米晶材料界面控制型相变动力学模型；模型可较好描述纳米晶Fe₉₂Ti₈合金α/γ相变行为。

二、攻读博士学位期间以第一作者（或导师第一）发表的与学位论文相关的学术论文

[1] L.K. Huang, W.T. Lin, K. Wang, S.J. Song, C. Guo, Y.Z. Chen, Y.J. Li, F. Liu. Grain boundary-constrained reverse austenite transformation in nanostructured Fe alloy: Model and application. Acta Materialia. 2018, 154: 56-70. (IF: 6.036; SCI: 000437968900006) 对应论文第五、六章

[2] L.K. Huang, W.T. Lin, B. Lin, F. Liu. Exploring the concurrence of phase transition and grain growth in nanostructured alloy. Acta Materialia. 2016, 118: 306-316. (IF: 6.036; SCI: 000383935800030) 对应论文第三章

[3] 刘峰, 黄林科, 陈豫增. 纳米晶金属材料中相变与晶粒长大的共生现象. 金属学报. 2018, 54: 1525-1536. (IF: 0.704; SCI: 000447845000007) 对应论文第四章