Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable Phase-Transforming Nanocrystalline Alloy

Abstract

Grains in crystalline materials usually grow with increased thermal exposure. Classical phenomena such as recrystallization may lead to a purely temporary decrease in the grain size, while recent advances in alloy design can yield thermally stable nanocrystalline materials in which grain growth stagnates. But grains never shrink, since there is a lack of interfacegenerating mechanisms at high temperatures, which are required to decrease the grain size if such was the system's thermodynamic tendency. Here we sidestep this paradigm by designing a nanocrystalline alloy having an allotropic phase transformation-an interface-generating mechanism-such that only the high-temperature phase is stabilized against grain growth. We demonstrate that for an Fe-Au alloy cycled through the α↔γ transformation, the hightemperature phase (γ-Fe) has a stable fine grain size, smaller than its low-temperature counterpart (α-Fe). The result is an unusual material in which an increase in temperature leads to finer grains that are stable in size.

Investigation on the Thermodynamic Stability of Nanocrystalline W-Based Alloys: A Combined Theoretical and Experimental Approach

“…It was recently suggested that polycrystalline materials could approach their thermodynamically stable (equilibrium) state following two different routes, namely “from below” and “from above” [ 62 ]. Specifically, the equilibrium grain size can be eventually attained starting from materials characterized by “finer” or “coarser” structures (cf.…”

Stability of nanocrystalline metals: The role of grain-boundary chemistry and structure

“…segregation-desegregation transition at the grain boundaries. 108 Such remarkable effects are caused by the unique competition between phases and complexions that can occur in the "closed system" of a nanocrystalline structure with a high-volume fraction of grain-boundary sites.…”

Изучение ГЦК-ОЦК фазового перехода в сплаве Au-Fe

“…Отметим, что изменение структуры наночастиц при уменьшении их размера было экспериментально обнаружено для многих однокомпонентных веществ и сплавов [33][34][35][36]. Например, в [33] было обнаружено, что при уменьшении размера наночастицы железа структура в ней изменяется из ОЦК-на ГЦК-структуру, которая стабильна для макрожелеза только при высоких температурах.…”

“…В [34] было экспериментально показано, что наночастицы сплава Au-Fe меньше определенного размера уже не испытывают структурный фазовый переход в ОЦК-фазу. В [35] было экспериментально показано, что для сплава Au-Fe, подвергнутому ГЦК-ОЦК-переходу, высокотемпературная ГЦК-фаза имеет стабильный мелкий размер, меньший, чем ее низкотемпературная ОЦК-фаза. В обзоре [36] указаны экспериментальные работы, в которых были получены наночастицы Au, имеющие стабильные кристаллические структуры, которые были отличны от ГЦК-структуры.…”