中南大學《MSEA》:熱軋純鈷退火過程的再結晶行為和相變機理

材料material 發佈 2022-06-19T04:57:46.015707+00:00

編輯推薦:文章研究了不同溫度下等溫退火過程中熱軋鈷(Co)的微觀結構和性能演變。定義了Co在馬氏體相變溫度(400◦C)下的FCC→HCP相變機理,HCP-Co通過HABs的遷移取代FCC-Co。首次通過模型建立了Co中的兩種特殊三元取向關係,並解釋了它們的形成機理。


編輯推薦:文章研究了不同溫度下等溫退火過程中熱軋鈷(Co)的微觀結構和性能演變。定義了Co在馬氏體相變溫度(400◦C)下的FCC→HCP相變機理,HCP-Co通過HABs的遷移取代FCC-Co。首次通過模型建立了Co中的兩種特殊三元取向關係,並解釋了它們的形成機理。最後分析了相變與再結晶之間的相互作用。當沒有發生反向馬氏體轉化時,呈現連續或局部飽和成核,成核和晶粒生長主要取決於HABs的遷移;當重結晶並具有反馬氏體相變時,再結晶機理為具有非隨機成核點位的Cahn-Cottrell模型。HCP-Co的再結晶動力學受到FCC-Co成核的阻礙,並且HAB的遷移也會受到限制。


鈷(Co)及其合金因其磁性能強、熔點高、硬度高、耐腐蝕性和抗氧化性好而在能源和電子工業中得到廣泛應用。與其他HCP金屬不同,Co在400℃(400℃以上為FCC結構和400℃以下為HCP結構)下經歷相變,並且具有低的基礎堆疊故障能(SFE)(27±4 mJ / m2)。由於SFE較低,在變形過程中經常觀察到Co中部分位錯的激活,並且應變誘導的Co在室溫下的相變引起了許多關注。根據S-N規則,變形過程中的相變產生了大量孿晶取向差為71.4°/<11-20>的特殊晶界(SBs),這些SBs通過細化晶粒對材料的力學性能起著促進作用。通常,Co中SBs的出現取決於退火條件,具有低SFE的Co在熱處理過程中極易形成退火孿生體(Σ3邊界)。因此,值得研究退火Co的特徵微觀結構,包括SBs,退火孿生,相組分和晶粒尺寸/形狀,以更好地了解再結晶和相變,並控制Co及其合金在退火過程中的性能。


中南大學研究者採用EBSD、DSC和TEM研究了熱軋純等溫退火過程中的重結晶和相變行為,詳細討論了Co的特徵微觀結構與性能之間的關係相關論文以題為「Recrystallization behavior and phase transformation in a hot-rolled pure cobalt during annealing at the elevated temperature」發表在Materials Science and Engineering: A。


論文連結:

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143178


圖1 EBSD歐拉圖、相位圖和晶界圖,分別顯示了(a, c, e)原始Co和(b, d, f)熱軋Co的晶粒尺寸、相分布和晶界。



圖2 Co樣品在(a) 350◦C (b) 400◦C (C) 650◦C不同時間退火後HCP相和FCC相的變形晶粒和再結晶晶粒的體積分數


圖3(a, b)部分放大的相位圖(c)兩個特殊的三元取向關係,(d, e)極點圖和三維晶體方向


圖4 (a)退火過程中Co的馬氏體相變和反馬氏體相變的三維示意圖;(b)馬氏體轉變過程中HCP-Co和HCP-Co變體的形成及相應的取向關係示意圖;(c)反向馬氏體轉變過程中FCC-Co和FCC-Co變體的形成及相應的取向關係示意圖。


圖5 在400℃-1.5h退火的Co樣品中,電子衍射圖和高解析度的明場TEM圖像:(a, b, c)服從S-N方向關係的區域;(d, e, f)三元取向關係區域;(g, h, i)三元取向關係區域;(j, k, l)由馬氏體轉變產生的特殊結構。


熱軋Co含有28%FCC相的細晶粒結構,再結晶只發生在350℃退火HCP-Co的樣品中,以及完全再結晶後的沒有SBs和退火孿晶的HCP-Co單相結構,平均晶粒尺寸為20.5μm。將退火溫度提高到400℃, HCP-Co和FCC-Co相在12 h退後發生形核,晶粒尺寸極低,約為2.5 μm。FCC- Co在完全再結晶前體積分數最高,為50%,而FCC- Co在完全再結晶後體積分數呈下降趨勢(50% ~ 24%)。約45%的SBs和退火孿晶伴隨再結晶發生。進一步提高退火溫度至650℃,出現明顯的晶粒長大,FCC-Co的比例降低至8%。


在馬氏體相變溫度(400℃)以下退火,再結晶只發生在HCP-Co中,隨著退火時間的增加,FCC-Co的比例急劇下降,Co樣品在大角度邊界(HABs)的推動下發生擴散相變,轉變為HCP-Co單相。對於400退火的樣品,HCP-Co和FCC-Co都發生了再結晶。FCC-Co的比例在400退火4 h的樣品中達到50%的最高值,由於形成特殊晶界、退火孿晶以及納米FCC-Co和HCP-Co片層的交替排列,即使在退火12h後,平均晶粒尺寸也小於2.5 μm。採用Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov模型和修正的Arrhenius關係分析了再結晶機理。在馬氏體相變溫度以下,通過HABs遷移的形核和長大促進了FCC→HCP擴散相轉變。高於馬氏體相變溫度時,反馬氏體相變阻礙了HCP-Co的再結晶動力學和HABs的遷移。(文:曉太陽)


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