《Materialia》：Evolution of MnSb phase in Mn-Sb/Sb Solid/Solid Binary Eutectic Alloy Under High Magnetic Fields
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摘要高磁场为材料加工过程中调控微观结构提供了一种强有力的手段，但其对第二相粗化的影响仍了解甚少。在本研究中，在 565°C 等温退火固/固二元 Mn-Sb 共晶合金过程中施加了 11.5 T 磁场，以研究 MnSb 相的破碎、球化和粗化。磁场诱导了共晶 MnSb 相的去磁化能
摘要
高磁场为材料加工过程中调控微观结构提供了一种强有力的手段，但其对第二相粗化的影响仍了解甚少。在本研究中，在 565°C 等温退火固/固二元 Mn-Sb 共晶合金过程中施加了 11.5 T 磁场，以研究 MnSb 相的破碎、球化和粗化。磁场诱导了共晶 MnSb 相的去磁化能，使其高长径比形貌失稳，促进颈缩和破碎，随后其形貌转变为具有较低界面能的近等轴颗粒。磁晶各向异性、静磁相互作用和磁场诱导的各向异性扩散促进了平行于磁场方向的优先生长、接触和合并。这些过程最终产生了沿磁场方向排列的颗粒链。定量分析和动力学计算表明，磁场加速了粗化过程，并将粗化指数 n 从 0 T 下的 3.01 增加到 11.5 T 下的 3.79。在 0 T 下，n ≈ 3.01，微观结构和颗粒尺寸证据表明这是经典的体扩散控制的奥斯特瓦尔德熟化。在 11.5 T 下，较高的指数以及沿磁场方向排列的颗粒接触和链状结构表明，体扩散控制的熟化仍然重要，但还有磁场诱导的各向异性界面传输和颗粒接触 - 合并的额外贡献。这些发现阐明了高磁场如何调控固/固二元合金中第二相的演化，也为金属材料中磁场辅助微观结构控制提供了依据。
引言
第二相颗粒粗化是多相金属材料微观结构稳定性和性能的决定因素 [1,2]。经典奥斯特瓦尔德熟化是由曲率依赖的化学势和界面能最小化驱动的。Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) 理论预测，弯曲的小颗粒溶解并向具有较低化学势的大颗粒提供溶质，从而增加平均半径并降低颗粒数密度 [3,4]。粗化可以通过颗粒迁移和合并进行：大颗粒通过互连的扩散通道消耗较小的邻近颗粒，或尺寸相当的接触颗粒直接合并 [5]。起作用的路径取决于毛细作用、颗粒形貌、空间连通性、界面迁移率和溶质传输动力学。
粗化动力学对合金化学组成、析出相结构和加工历史很敏感。使用原位小角度 X 射线散射，Wahlmann 等人 [6] 表明，代表增材制造的非等温热循环改变了 CMSX-4 中的 γ′析出、溶解、形貌和粗化，强调了热历史在析出相稳定性中的作用。Pandey 等人 [7] 结合颗粒尺寸统计和动力学分析，将 CoNi 基高温合金中 γ′粗化偏离二元 LSW 模型归因于元素偏聚、界面能和多组分扩散。Zhao 等人 [8] 将 750-825°C 时效的高熵合金中均匀分布的球形 L12析出相缓慢粗化归因于迟缓的多组分扩散。Rockenh?user 等人 [9] 使用 LSW 动力学描述了 2618A Al 中 S 相析出物的长期粗化，使得老化效应能够纳入组件寿命模型中。对于 Al-Cu 合金中的 θ′析出相，Chen 等人 [10] 确定溶质扩散、界面能和析出相形貌是控制尺寸演化的主要因素。Gao 等人 [11] 报告了 9Cr-1.7W-0.4Mo-Co 铁素体耐热钢中 M23C6碳化物和 Laves 颗粒显著但取决于相的粗化，证明了其对高温微观结构稳定性的影响。此外，Xiao 等人 [12] 发现施加应力和缺陷通过缺陷介导的溶质传输改变了 Laves 析出相的成核行为、形貌和粗化路径。这些结果表明，成分复杂合金或在不平衡条件下的粗化不能仅由扩散来描述。
界面能降低驱动颗粒粗化，尽管相形貌、溶质扩散率和系统自由能可以改变其动力学 [[13], [14], [15]]。高磁场可以影响界面能、晶界迁移、原子扩散和溶质再分配。由于基体和第二相在磁性上通常不同，施加的场对它们的吉布斯自由能贡献不同，并可能移动相平衡。Beaugnon 等人 [16] 预测了弱磁性固相基体中磁性 Co 颗粒周围溶质扩散的场诱导修正。在 Al-Ni 固/固扩散偶中，Ren 等人 [17] 观察到平行和垂直于磁场方向具有不同的扩散率，表明磁场诱导的扩散各向异性。Lou 等人 [18] 表明，常规熟化和磁偶极相互作用共同促进了铁磁性 MnBi 颗粒沿磁场方向的伸长和链状形成。然而，高磁场如何在固/固共晶中耦合破碎、球化、扩散控制的熟化和颗粒合并仍不清楚。选择 Mn-Sb 共晶合金作为模型系统，因为它结合了与本研究目标直接相关的三个特征：在退火温度下顺磁性 MnSb[20,21] 和抗磁性 Sb[22] 之间存在较大的磁化率 [19] 对比，MnSb 具有强烈的磁晶 [23] 和形状各向异性，以及一种初始细长的共晶形貌，该形貌会发生可测量的固相破碎、球化和粗化 [24,25]。这种组合使得毛细作用驱动的演化能够与磁场诱导的扩散、颗粒排列和合并变化区分开来并进行比较。
本研究调查了 11.5 T 磁场对固/固二元 Mn-Sb 共晶合金等温退火过程中 MnSb 破碎、球化和粗化的影响。样品在 0 和 11.5 T 磁场下于相同温度进行不同保持时间的退火。相表征、微观结构观察、颗粒尺寸统计和动力学分析证明了磁场诱导的 MnSb 相演化改变以及控制粗化机制的改变。特别关注了溶质扩散、颗粒迁移、合并和晶体生长取向。通过将微观结构证据与动力学考虑相结合，我们阐明了磁场如何改变 MnSb 的形貌稳定性和粗化路径。提出的机制支持设计用于固/固二元合金的磁场辅助加工策略。
章节片段
实验
采用真空感应熔炼在石墨坩埚中由高纯度 Mn 和 Sb（均为 99.99%）制备了 Mn-Sb 共晶母合金。圆柱形试样（Φ5.5×6 mm）经过线切割、抛光、超声清洗和干燥。铸态合金显示出均匀的共晶微观结构（图 1(a)），球形、棒状和细长的 MnSb 相（暗对比）均匀分布在 Sb 基体（亮对比）中，经能量色散 X 射线谱确认（图 1(b)
MnSb 相的破碎和球化过程
图 2 显示了铸态 Mn–Sb 共晶合金在无预先热处理情况下等温退火过程中 MnSb 的演化。在 0 和 11.5 T 磁场下，MnSb 相遵循相似的破碎 - 球化序列。15 分钟后（图 2(a), (e)），细长颗粒开始颈缩和破碎。60 分钟时（图 2(b), (f)），大多数颗粒已转变为分散在 Sb 基体中的短棒和近球形颗粒，尽管仍有几个粗颗粒保留在
结论
本研究系统地调查了 11.5 T 磁场对 Mn-Sb 共晶合金等温退火过程中 MnSb 相形貌演化的影响，并阐明了磁场影响 MnSb 相破碎、球化和粗化的机制。具体结果如下：
(1) 11.5 T 磁场加速了 MnSb 相的破碎和球化。细长的 MnSb 颗粒具有强烈的
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能看起来会影响本论文报告的工作。
CRediT 作者贡献声明
刘艳鑫：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原始草稿，可视化，监督，形式分析。徐秀洁：方法论，形式分析。刘文昭：方法论，形式分析。张宝泽：方法论，形式分析。李哲：可视化，形式分析。苗鹏：方法论，形式分析。张思宇：验证，方法论，调查。刘铁：写作 - 审阅与编辑，验证，资源，资金支持，构思。
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材料电磁过程教育部重点实验室，东北大学，沈阳，110819，中国
