西安交大和浙江大学合作在合金固态相变领域获得重要进展

合金中的相，通常是指材料中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质，并以界面相互隔开的均匀组成部分。由于结构、化学成分等差异，不同的相具有不同的性能。在材料设计中，利用不同相的性能特点，取长补短，从而使材料整体性能优化。钛合金，作为一种在航空航天、军事、医用等领域均具有广泛应用价值的轻质材料，通常需要利用两种相的结合以达到相得益彰的效果，例如密排六方结构的低温相alpha和体心立方结构的高温相beta。

两相的比例以及各自的大小、形状和分布通常依靠相变来调控。相变，通俗来讲就是在外界条件的诱发下，从一个相到另一相的转变。相变理论中经典形核长大机制的假定是：新相起始于母相中源于热激活涨落出现的一个纳米尺度的新相胚胎，其成分和结构均与相图中预言的最终相变产物相同。然而实际的相变初始过程尺度小、时间短、可能性多，难以直接观测。钛合金中alpha固溶体和beta固溶体间的相变通常在高温下发生，前人虽有相关的研究报道，但对相变早期过程尚缺乏原位和原子尺度的直接观察和理解，对相变机制的认知并不清晰。

近日，利用先进的原位、多尺度电子显微镜技术，结合同步辐射和计算机模拟，浙江大学、西安交通大学和美国宾州州立大学研究人员对钛钼二元合金中的alpha-beta相变初始阶段进行了系统深入的研究，发现其原子尺度的过程与经典形核理论的机制具有显著差异。具体来说，研究人员在电子显微镜下的直接观察表明，当温度升高至相变点以下100℃左右时，beta相中过余的钼原子开始显著扩散到alpha相中，且随其浓度不断升高，钼原子开始呈化学有序排列，在alpha相中形成纳米尺度大小的亚稳态超晶格结构团簇，其成分和结构既不同于母相alpha，又不同于终相beta。超晶格亚稳结构中钼浓度的进一步升高促使原本的密排六方结构失稳，瞬间转变为体心立方结构，实现从alpha到beta的相变。第一性原理计算与模拟定量地揭示了上述过程中的能量变化（热力学驱动力）和需要克服的能垒与原子位移（动力学过程）。这一发现是原位、原子尺度实验与计算模拟紧密结合的成功案例，是非经典形核固态相变在钛合金中的首次报道，也为理解其它合金中固态相变初始过程的原子机制带来了新的启示。

此项在原子尺度上原位追踪固态相变初始阶段的研究论文已以“非经典形核诱导钛合金相变的原子尺度原位观察”(Atomic-scale observation of nonclassical nucleationmediated phase transformation in a titanium alloy)为题于2021年11月25日在《自然材料》（Nature Materials）上在线发表。浙江大学电子显微镜中心博士后符晓倩、西安交通大学材料学院材料创新设计中心博士生王旭东为本文的共同第一作者。浙江大学张泽院士团队余倩、西安交通大学马恩、张伟以及美国宾州州立大学陈龙庆为本文的共同通讯作者。其他重要的合作者包括上海同步辐射光源文闻、清华大学张文征、中国科学院物理研究所谷林、张庆华等人。该研究得到了国家自然科学基金委的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01144-7