《Acta Materialia》：一种研究奥氏体-铁素体相变的新型多晶模型！

近几十年来，已经使用实验和建模方法研究了钢中奥氏体(γ)转变为铁素体(α)的动力学。最近，学者们对高强度钢中铁素体到奥氏体的相变动力学兴趣不断提高。众所周知，常见的合金元素(例如Mn、Ni和Mo)会强烈阻碍奥氏体相变过程中的界面迁移。理解合金元素对转变动力学的影响这一过程对调控微观结构至关重要，已有研究建立了两种主要方法诠释元素对界面迁移的影响，第一种使用有效界面迁移率的概念；另一种方法是采用溶质传质阻力理论进行分析。现有研究表明，使用溶质传质阻力理论来解释元素对界面迁移影响的方法具有更好的可传递性。目前为止，对于包含奥氏体和铁素体的任意施加的热曲线，预测和量化界面迁移仍是一项艰巨的挑战。

荷兰代尔夫特理工大学大学的研究人员扩展了之前的3D混合模型与传质阻力理论耦合。新模型考虑了形核理论、化学驱动力和传质阻力产生的能量消耗，能够用最少的拟合参数量化奥氏体-铁素体相变的动力学。相关论文以题为“A novel 3D mixed-mode multigrain model with efficient implementation of solute drag applied to austenite-ferrite phase transformations in Fe-C-Mn alloys”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116897

本文计算得出的针对传质阻力引起的能量消耗的解析结果比传统方法要有效得多，传统方法必须在预定范围内计算吉布斯自由能随界面速度的变化。这里提出的新方法是通用的，也可以在其他3D模拟中使用。该模型在预测连续冷却，等温保持和临界热循环过程中的整体转变动力学方面表现良好。对于连续冷却，可以合理地预测晶粒尺寸分布。还可以监控每个晶粒的相变行为，不同晶粒的相变行为差异很大。可以计算化学驱动力的局部吉布斯自由能和消耗量，能够更好的了解界面速度变化的机理。

图1 本模型预测的Fe-0.1C-0.5Mn合金在0.4和10 K/s匀速连续冷却过程中奥氏体-铁素体相变动力学

图2 不同冷速下奥氏体结构变化

图3 针对合金相变过程中铁素体含量随温度变化的模型预测结果与实验结果

图4 在Fe-0.1C-0.5Mn合金循环相变过程中，溶质传质阻力随温度的变化

通过本模型预测到后形核的铁素体晶粒在循环部分相变过程中受热后可能会完全收缩，这是热循环前没有考虑铁素体形核的其他模型尚未预测到的现象。本文还提出了一种描述循环相变过程中停滞界面行为的新度量，可以充分描述C和Mn对循环相变行为的耦合作用，过渡区作为C和Mn浓度的函数被识别进而区分不同类型的循环行为。

本文虽然只演示了该模型对Fe-C-Mn合金的应用，但如果有相应的热力学信息，也可用于计算其他三元合金的相变动力学。本文提出了一种更有效的计算溶质传质阻力消耗的方法，有望促进使用吉布斯自由能平衡原理进行更先进的三维模拟。（文：破风）