一、研究背景

众所周知，金属材料的力学性能与晶粒尺寸和晶体取向密切相关。因此，从根本上了解退火过程中的晶粒长大行为，对于控制和设计材料的微观组织以改善强度和延展性有重要意义。晶粒长大通常分为正常晶粒长大和异常晶粒长大。尽管已有大量研究致力于研究不同材料体系中的异常晶粒生长，但在没有第二相颗粒的情况下，从正常生长过渡到异常生长的机制并不完全清楚。由于溶质元素会偏聚到晶界以降低体系的自由能，因此在晶界迁移过程中会对晶界造成阻力，即溶质阻力。溶质阻力可以在再结晶和晶粒生长过程中大大降低晶界的迁移速度，因此在诱导异常晶粒长大方面也起着类似于齐纳阻力（第二相颗粒产生）的作用。在高挤压或退火温度下，溶质阻力可导致非基面取向晶粒择优生长趋势消失。因此，充分理解其对晶界迁移和晶粒生长的微观机理对高性能镁合金组织调控具有重要的作用。

最近，德国亚琛工业大学Talal Al-Samman教授等人通过利用准原位电子背散射衍射（EBSD）、三维原子探针成像（APT）和Level-Set计算机模拟对挤压和随后退火的Mg-1Mn-1Nd （wt.%）合金（以下简称 MN11）的晶粒生长行为进行系统研究。结果表明，在退火的不同阶段，该合金特殊的晶粒长大行为由晶界曲率、位错密度梯度（DDG）和晶界偏聚原子溶质阻力控制。

二、图文导读

文章通过准原位EBSD跟踪450 ℃不同退火时间下组织及织构的演变规律，如图1所示。首先通过全局组织演化特征，明确在退火过程中部分晶粒呈现明显的择优生长的趋势，晶粒大小分布曲线逐渐失去自相似性，如图2所示。这充分表明材料中存在异常长大趋势。随后观察12个异常长大晶粒的局部特征（晶粒大小、位错密度密度分布、晶界类型及曲率），如图3和4所示。研究表明，异常长大晶粒的晶界曲率低于相邻晶粒平均曲率，并且其内含位错密度低于相邻晶粒（位错密度梯度，DDG）。在低晶界曲率和高DDG的双重作用下，这些晶粒在最初表现出择优生长趋势。随着退火时间延长，DDG逐渐降低，其优势逐渐减小，如图4c所示。为探究晶粒长大过程中晶界偏聚行为变化，图5和6分析450 ℃退火2h试样的大晶粒-小晶粒以及小晶粒-小晶粒之间晶界的元素偏聚行为。从图中可以清晰看出，后者的晶界Nd浓度低于前者(1.53 at.%对2.55 at.%)。这表明在晶粒生长过程中，大晶粒的晶界偏聚程度随着迁移不断累积，进一步提高了溶质阻力。

图1 MN11 合金试样在450°C下退火0.5~4h同一区域微结构演变的准原位EBSD图。

EBSD图与相对于挤压方向ED的IPF颜色相对应。

图2 根据图1所示的EBSD图计算出的晶粒尺寸分布。

用分布拟合(红色曲线)对晶粒尺寸数据进行拟合，以获得分布的宽度。

图3 (a) 在 450 °C / 360 min获得的IPF图中跟踪单个异常晶粒的示例，

以研究其 (b) 局部特征 (晶粒大小和拓扑结构) 和 (c) 位错密度分布随退火持续时间的变化。

(b) 中的黑色箭头表示生长方向，即晶粒8的晶界片段在下一个退火步骤中的扩展方向。

晶粒8的虚框表示静止/缓慢迁移的负曲率晶界。

图4 准原位EBSD图中提取的局部微观组织特征随退火时间演变的统计分析：

(a) 异常晶粒及其直接邻晶粒尺寸 (平均值)；(b)平均晶界曲率和 (c) 平均 位错密度；(d) 晶界迁移速度跃迁。

图5 异常大晶粒与较小邻近晶粒之间晶界APT表征：(a) 相对于挤压方向的 IPF图，显示了目标 晶界 (取向关系：52.9° <20 1>) ；

(b) TKD-EBSD 图；(c) 重建试样的Mg、Mn和Nd原子分布；(d) (c) 中勾勒的立方选区内的Nd和Mn溶质浓度剖面；

(e) 从 (c) 中的选区提取的原子分布和二维浓度图。

图6 两个小晶粒之间晶界APT表征：(a) 相对于挤压方向的 IPF 图，显示了目标 晶界 (取向关系：55.2° <20-21>) ；

(b) 试样TKD-EBSD 图；(c) 重建试样的Mg、Mn和Nd元素分布；

(d)  (c)中勾勒的立方选区内Nd和Mn的溶质浓度剖面；(e) (c) 中选区提取的原子分布和二维浓度图。

采用Level-Set模拟了四种不同情况（如表1所示）的晶粒长大行为和组织演化规律。图7a-d比较这四种不同条件下所有晶粒、大晶粒和小晶粒的平均晶粒尺寸，以及EBSD和模拟得到的晶粒尺寸分布的高斯拟合峰值宽度。通过结果可以清晰的发现，当晶界曲率+溶质阻力+GND梯度（第4种）共同作为晶粒生长的驱动力时，拟合效果最佳，模拟组织演化过程如图8所示。

表1 Level-Set晶粒生长模拟中不同驱动力组合以及计算晶界速度表达式

图7 (a-d)不同的晶粒生长驱动力组合对实验和模拟输出进行定量比较。

(e)中的表格提供了残差平方和 (RSS)，用于衡量模拟数据与实验数据之间的差异。

峰值宽度指的是晶粒尺寸分布的正态拟合宽度。实验与模拟最佳匹配值以斜体和下划线表示。

SD：溶质阻力，DDG：位错密度梯度。

图8 Level-Set模拟不同时间步长下晶粒生长微观组织的：(a) 模拟原始组织，实验退火微观组织 (450°C/30 min); (b) 1h和 (c) 6 h 。

结果表明，MN11合金的晶粒生长行为的特点是初期晶粒异常生长，随着退火时间的延长，生长速度减慢。这样的生长行为受晶界曲率、DDG和溶质阻力之间的相互作用控制。在退火过程中，这些力在不同时期对微观组织衍化的贡献程度各不相同。研究表明出现类似异常长大行为需要以下三个条件：i) 低溶质扩散系数。相场模拟表明当溶质扩散系数小于D=3X10-13m2·s-1时，就会引发晶粒异常长大，而不需要额外的织构、晶粒尺寸或晶界特性的各向异性。450 ℃时Nd在多晶镁中的扩散系数约为10-14m2·s-1，与文献报道的异常晶粒生长的扩散系数范围吻合；ii) 临界初始曲率，保证绝大部分晶界被溶质阻力钉扎，仅有少部分晶界能够移动；iii) 其他额外驱动力，如DDG，进一步放大部分晶粒的生长优势。

图9以示意图的形式说明了在本合金中观察到晶粒的生长行为是如何受晶界曲率、DDG和溶质阻力控制的。图中晶粒颜色表示不同程度残余位错密度(蓝色 < 橙色 < 红色)，白点表示晶界的溶质原子。如图9a所示，由于凹曲率、高DDG和低的局部溶质阻力的有利组合，晶粒A的某些边界（紫色箭头）相对于该晶粒的其他边界迁移得更快。大晶粒A-E 以牺牲相邻红色和黄色晶粒继续生长，并不断消除DDG的影响并获得更稳定的蓝色微观结构（如图9e所示）。同时，小晶粒的收缩使偏析溶质重新分布到大晶粒的晶界，导致溶质阻力升高（如图9b 所示），造成实验中退火2h后异常晶粒的平均生长率下降。与此同时，小晶粒由于更低的晶界曲率和更低溶质阻力获得生长机会。最后，三者（曲率、DDG、溶质阻力）达到平衡，晶粒停止生长形成热稳定的微观结构（如实验中4~6h组织）。

图9 450℃退火时MN11合金晶粒生长示意图。晶粒颜色代表微观结构中残余位错密度的不均匀分布 

(蓝色 < 橙色 < 红色)。白点表示溶质原子在晶界分布。

三、结论与展望

综上所述，本文使用准原位EBSD和Level-Set计算机模拟研究了450 ℃退火MN11镁合金在溶质拖拽下的晶粒生长行为。研究表明在较短的退火时间内，少量的晶粒相对于其相邻晶粒具有生长优势，从而形成晶粒短暂的异常生长。随着退火时间的延长，异常晶粒的生长速度减慢，使其生长行为与小晶粒相似。退火6 h时，小晶粒群和大晶粒群的生长都会停止形成热稳定的微观结构。这与晶界曲率、相邻晶粒位错密度梯度、晶界偏聚Nd溶质阻力有关。Level-Set计算机模拟非常有助于揭示不同驱动力的组合对晶粒生长行为的影响，再现实验的晶粒生长行为。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第7期：

[1] Risheng Pei, Yujun Zhao, Muhammad Zubair, Sangbong Yi, Talal Al-Samman*. Solute drag-controlled grain growth in magnesium investigated by quasi in-situ orientation mapping and level-set simulations [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(7): 2312-2325.

五、中文摘要

金属材料的屈服应力、耐腐蚀性和延展性等关键性能取决于微观组织及其晶粒大小和粒度分布。有利于偏聚到晶界的溶质原子会产生一种钉扎气团，对晶界运动施加阻力，从而强烈影响退火过程中的晶粒生长行为。本研究采用先进的实验和建模技术研究了退火Mg-1Mn-1Nd（wt.%）镁合金的晶粒生长特性。利用扫描电子显微镜进行了系统的准原位EBSD测试，以跟踪局部和整体微结构特征随退火时间的变化。使用三维原子探针扫描测量了目标晶界的溶质偏析。利用不同的驱动力设置进行了Level-Set计算机模拟，以探索在有溶质阻力和无溶质阻力的情况下，驱动力对微观结构发展的贡献。结果表明，在退火的不同阶段，一些晶粒的有利生长优势会导致晶粒异常生长的瞬态阶段，而这种优势是由几个重要性不同的驱动因素控制的。退火时间较长时，大晶粒和小晶粒之间的残余位错密度梯度较低，这导致微观组织因溶质阻力占主导地位而趋于稳定。残余位错能量和溶质浓度在晶粒边界附近的局部波动会导致不同的边界片段以不同的速率迁移，从而影响大晶粒的平均生长速率及其演化形状。

六、英文摘要

Critical properties of metallic materials, such as the yield stress, corrosion resistance and ductility depend on the microstructure and its grain size and size distribution. Solute atoms that favorably segregate to grain boundaries produce a pinning atmosphere that exerts a drag pressure on the boundary motion, which strongly affects the grain growth behavior during annealing. In the current work, the characteristics of grain growth in an annealed Mg-1 wt.%Mn-1 wt.%Nd magnesium alloy were investigated by advanced experimental and modeling techniques. Systematic quasi in-situ orientation mappings with a scanning electron microscope were performed to track the evolution of local and global microstructural characteristics as a function of annealing time. Solute segregation at targeted grain boundaries was measured using three-dimensional atom probe tomography. Level-set computer simulations were carried with different setups of driving forces to explore their contribution to the microstructure development with and without solute drag. The results showed that the favorable growth advantage for some grains leading to a transient stage of abnormal grain growth is controlled by several drivers with varying importance at different stages of annealing. For longer annealing times, residual dislocation density gradients between large and smaller grains are no longer important, which leads to microstructure stability due to predominant solute drag. Local fluctuations in residual dislocation energy and solute concentration near grain boundaries cause different boundary segments to migrate at different rates, which affects the average growth rate of large grains and their evolved shape.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

裴日生（第一作者），男，2015年硕士毕业于哈尔滨工业大学，2020年在德国亚琛工业大学获得博士学位，并在亚琛工业大学担任为期三年的博士后研究。长期从事有色金属合金成分设计、组织和织构调控以及性能优化等研究。第一/通讯作者在Acta Materialia、Journal of Magnesium and Alloys、Material Science and Engineering A等国际著名期刊发表SCI论文30余篇，h因子16。

Talal Al-Samman（通讯作者），男，德国亚琛工业大学长聘教职，高级工程师。长期从事镁合金组织、织构及性能研究和设计。第一/通讯作者在Acta Materialia、Journal of Magnesium and Alloys、Material Science and Engineering A等国际著名期刊发表SCI论文100余篇，被引频次7000+，h因子36