Acta Mater.：相界面各向异性对块状共晶凝固微观结构的影响

【引言】

共晶合金自然固化成两相复合材料，可用于许多工程领域，特别是高强度材料。在结晶过程中，不同化学成分的两相通过与生长前沿相邻的液体区域进行扩散交换溶质。这两个阶段的几何排列是由一个模式形成过程产生的，而该过程是由扩散和毛细现象的相互作用所支配的。不少研究已经解释了这种耦合增长模式的诸多特征。如果两个固相的体积分数是可比较的，则它们在交替的薄片中自组织；否则，少数相的棒分散在另一相的连续矩阵中。在许多实验和数值模拟中也研究了表现出更复杂的对称性或无序的结构。

【成果简介】

近日，巴黎-萨克雷大学的Mathis Plapp（通讯作者）等人在Acta Mater.上发表了题为“Influence of Interphase Boundary Anisotropy on Bulk Eutectic Solidification Microstructures”的文章。研究人员运用多相场模型进行三维相场模拟，其表面自由能可独立控制。研究发现相界面能的各向异性对微结构图样有很大的影响。薄片倾向于与最小相界面能的方向一致。对于两倍各向异性，正如对两立方晶体相界面的预期一样，形成规则的层状阵列，这明显不同于在各向同性系统中观察到的迷宫图样。如果两个不同粒子竞争，则具有最低相界面能的粒子会过度生长。这些结果与大多金属共晶样品中的观察结果一致，即大规模层状阵列和具有特殊取向关系的晶粒大量存在。

【图文导读】

图一：沿z方向生长的固体的界面

沿z方向生长的固体的横向平面（xy）中的界面。

图二：两个共晶颗粒的时间演化

根据方程式(14)，两个共晶颗粒的时间演化。

图三：体积分数分布与时间的直方图

构建相的体积分数分布与时间的直方图。

图四：有相界面能的两个共晶颗粒

根据等式(15),具有相界面能的两个共晶颗粒的概念图。

【小结】

在这篇文章中，作者通过三维相位场模拟在相界边界各向异性的存在下研究了微结构的形成。研究发现固 – 固相界面的各向异性对微结构具有强烈的影响。薄膜倾向于与最小相界面能的方向一致。对于具有双重对称性的各向异性函数，这有利于常规层状阵列的出现，而对于各向同性系统，观察到迷宫结构。如果有不同相界面能的几种晶粒存在竞争，相界面能最低的相界面能总是优先生长。这为块状共晶样品中存在大量具有特殊取向关系的颗粒提供了一个科学的解释。

文献链接：Influence of interphase boundary anisotropy on bulk eutectic solidification microstructures（Acta Mater.2017，DOI:10.1016/j.actamat.2017.08.023）

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