文章名：《The superite phase transition inducing microstructures and segregations during steel solidification》

期刊名：《Materials & Design》

客户单位：中国科学院金属研究所

应用产品：果果仪器同步辐射超高温红外加热炉

合金凝固过程是众多材料必经的制备流程，其凝固组织和偏析极大的影响材料的性能。自凝固学科分支诞生至今，凝固组织及其偏析的形成一直是基于晶体生长，而晶体生长的默认基础是液相向晶体的直接转变。虽然在晶体形核的研究中已经提出了半态的理论，即液相中先形成一些有序结构团簇，这些团簇再转变成为长程有序的晶体。但是在形核完成后的枝晶生长阶段，枝晶晶体的生长被认为是从液相到固相的直接转变。大量的实验结果都是基于以上晶体一步直接形成的物理图景进行解读。

但在一项新发表于Materials & Design的研究中，一个研究团队通过显微镜、同步辐射高能XRD和组织偏析表征对三种钢的凝固过程进行了原位分析，观察到与经典晶体形成理论所描述的并不相同的物理图景：液相中先形成有限有序性的半固态superite相枝晶，然后枝晶内部发生从半固态superite相向奥氏体晶体以及复相晶体组织的转变；superite相变过程中发生显著的溶质传输，并产生多尺度的凝固组织和偏析分布。从物理的角度，晶体的形成不是一步完成，而是遵循液态-superite-晶体的演化路径。

研究人员因此提出，需要对经典晶体形成理论作出扩展，更新对初始枝晶形成机制、凝固组织和枝晶偏析的形成机制的理解，进而推动对凝固组织和偏析的控制。

这项研究使用显微镜直接对三种钢的凝固过程进行了原位观察。研究中先将样品充分熔化，然后控温冷却，在连续冷却的过程中观察凝固组织的演化。观察发现，在钢的凝固过程中先从液相形成了枝晶形貌，然后枝晶内再次发生相变生成多取向的奥氏体和复相组织，并且伴随着显著的溶质传输过程。即使是在淬冷过程中发生的superite向奥氏体的转变也仍然有显著的溶质传输过程。最终生成的凝固组织和偏析很大程度上都是由superite相变过程决定。

研究人员在同等冷速的凝固条件下，对钢的凝固过程的相变演化进行了同步辐射高能XRD测试。研究结果与显微观测的演化互相印证：在钢的凝固过程中先从液相形成了一种以往未被认识的superite相，然后枝晶内再次发生相变生成奥氏体晶体。Superite相的衍射特征与液相和最终晶体奥氏体相存在显著差异，其中的有序结构的面间距和高温铁素体相同，但是衍射强度与液相同量级，且取向性高度一致。Superite向奥氏体转变的前后时刻伴随着衍射强度的显著增加。研究人员由此提出superite相是一个取向一致的具有有限有序结构的半固态相。液相向晶体的转变存在一个中间相，经多步转变生成。

人们对于自然界中极其重要的晶体的形成过程，尤其是多组元合金的晶体，需要深入探究和理解。对这一基本过程形成新的理解，其意义也并不限于钢铁合金本身。研究人员认为，这项工作未来可能影响从物理科学、化学和材料科学等多个领域，改写未来的教科书相关领域的基本认识。

从物理科学的角度，该研究重新审视了晶体的形成路径，是一个经过中间半固态的有序度逐步增加的转变过程。从材料科学的角度，这项研究提供了一种不同于经典图景的凝固相变路径和凝固组织及其偏析形成机制。研究人员认为，它可能改变人们理解枝晶的本质及其背后的物理机制，重新构建凝固组织及其偏析的形成机制。

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