Home 59Fe Grain boundary diffusion in nanostructured γ-Fe–Ni
Article
Licensed
Unlicensed Requires Authentication

59Fe Grain boundary diffusion in nanostructured γ-Fe–Ni

Part I: Radiotracer experiments and Monte-Carlo simulation in the type-A and B kinetic regimes
  • S. V. Divinski , F. Hisker , Y.-S. Kang , J.-S. Lee and Chr. Herzig EMAIL logo
Published/Copyright: January 4, 2022
Become an author with De Gruyter Brill

Abstract

For the first time, self-diffusion was systematically investigated in well-compacted nanocrystalline (grain size d ≈ 80 – 100 nm) γ-Fe–40 wt.% Ni material in a wide temperature range (600 –1010 K) in all Harrison-type kinetic regimes. Samples were prepared by sintering the nanocrystalline Fe –Ni powder mixture produced by ball milling of the component oxides after reduction in hydrogen atmosphere. The samples revealed a frequently observed bimodal microstructure consisting of nano-scaled grains and micrometer-scaled agglomerates of the nano-grains. Two different types of short-circuit paths were found to control the diffusionflux in such material. Owing to the applied sensitive radiotracer technique Fe diffusion in both types of interface boundaries could be successfully characterized by combining the evaluation of the experimentally determined 59Fe diffusion profiles with a Monte-Carlo simulation of grain boundary (GB) diffusion. Part I presents the results obtained at elevated temperatures in the type-B and A regimes. Due to the sample preparation process the GB motion during the diffusion anneal was proven to be negligible. For the first time, it was shown that there exists an intermediate stage between the well-known kinetic regimes B and A if Dvtd , where Dv is the bulk diffusivity and t is the time. The corresponding concentration profiles could be linearized in the coordinates of ln c¯ vs. y3/2(c¯ is the layer tracer concentration and y is the penetration depth) and the equation to extract the GB diffusion coefficient from these data was derived. The limits of the new AB-type stage were established. It was demonstrated that the processing of the nonconventional experimental GB diffusion profiles in a nanocrystalline material can be done properly but is more sophisticated than in a coarse-grained material.

Abstract

Die Selbstdiffusion wurde erstmals systematisch in kompaktiertem nanokristallinen (Korndurchmesser d ~ 80– 100 nm) γ-Fe-40 Gew.% Ni Material in einem großen Temperaturbereich (600 – 1010 K) in allen kinetischen Stadien (nach Harrison) untersucht. Die Probenpräparation erfolgte durch Sintern einer nanokristallinen Fe –Ni Pulvermischung, die durch Kugelmahlen der Komponentenoxide nach Reduktion in Wasserstoffatmosphäre hergestellt worden war. Die Proben wiesen eine häufig beobachtete bimodale Mikrostruktur auf, bestehend aus Körnern im Nanometerbereich und mikrometergroßen Agglomeraten dieser Nano-Körner. Es wurden zwei Arten von Kurzschlusswegen festgestellt, über die der Diffusionsfluss in diesem Material erfolgt. Aufgrund der verwendeten empfindlichen Radiotracertechnik konnte die Fe-Diffusion in beiden Grenzflächenarten erfolgreich charakterisiert werden durch Kombination der Auswertung der experimentell gemessenen 59Fe Diffusionsprofile mit einer Monte-Carlo-Simulation der Korngrenzendiffusion. Im Teil I werden die bei höheren Temperaturen in den Stadien B und A erhaltenen Ergebnisse vorgestellt. Wie gezeigt wurde, kann eine Korngrenzenwanderung während der Diffusionsglühung aufgrund der Probenpräparationstechnik vernachlässigt werden. Es wurde erstmals die Existenz eines Zwischenstadiums zwischen den bekannten Stadien B und A nachgewiesen, wenn Dvtd, wobei Dv der Volumendiffusionskoeffizient und t die Glühzeit sind. Die entsprechenden Konzentrazion-Weg Profile ergaben sich als linear in der Auftragung ln c¯ gegen y3/2 (c ist die Tracerkonzentration pro Schicht und y die Eindringtiefe). Es wurde eine Beziehung zur Berechnung des Korngrenzendiffusionskoeffizienten aus diesen Daten hergeleitet. Die Grenzen für das Auftreten des neuen AB Stadiums wurden definiert. Es wurde gezeigt, dass eine korrekte Auswertung der im nanokristallinen Material gemessenen unkonventionellen Korngrenzendiffusionsprofile möglich ist. Diese Auswertung ist jedoch komplexer als in einem grobkristallinen Material.


Prof. Dr. Christian Herzig Institut für Materialphysik, Universität Münster Wilhelm-Klemm-Str. 10, 48149 Münster, Germany Tel: +49 251 833 3573 Fax: +49 251 833 8346

  1. This joint German-Korean project was initiated and supported by the Alexander von Humboldt Foundation, Bonn, Germany. The authors (J. S. L. and Y. S. K.) gratefully acknowledge also the financial support from the Korean Ministry of Science and Technology through the ‘‘2001 National Research Laboratory Program”. The authors are grateful to Y. Mishin for reading the manuscript and making valuable comments.

References

1 Cheung, C.; Djuanda, F.; Erb, U.; Palumbo, G.: Nanostr. Mater. 5 (1995) 513.10.1016/0965-9773(95)00264-FSearch in Google Scholar

2 Lee, J.S.; Kim, T.H.; Yu, J.H.; Chung, S.W.: Nanostr. Mater. 9 (1997) 153.10.1016/S0965-9773(97)00041-XSearch in Google Scholar

3 Knorr, P.; Nam, J.G.; Lee, J.S.: Metall. Mater. Trans. A 31 (2000) 503.10.1007/s11661-000-0286-9Search in Google Scholar

4 Gleiter, H.: phys. stat. sol. b 172 (1992) 41.10.1002/pssb.2221720106Search in Google Scholar

5 Mishin, Y.; Herzig, Chr.: Nanostr. Mater. 6 (1995) 859.10.1016/0965-9773(95)00195-6Search in Google Scholar

6 Hofler, H.J.; Averback, R.S.; Hahn, H.; Gleiter, H.: J. Appl. Phys. 74 (1993) 3832.10.1063/1.354477Search in Google Scholar

7 Herth, S.; Michel, T.; Tanimoto, H.; Eggersmann, M.; Dittmar, R.; Schaefer, H.-E.; Frank, W.; Würschum, R.: Defect Diff. Forum 194–199 (2001) 1199.10.4028/www.scientific.net/DDF.194-199.1199Search in Google Scholar

8 Harrison, L.G.: Trans. Faraday Soc. 57 (1961) 597.10.1039/tf9615701191Search in Google Scholar

9 Rüsing, J.; Herzig, Chr.: Intermetallics 7 (1996) 647.10.1016/0966-9795(96)00060-XSearch in Google Scholar

10 Suzuoka, T.: J. Phys. Soc. Japan 19 (1964) 839.10.1143/JPSJ.19.839Search in Google Scholar

11 Million, P.; Ruzickova, J.; Velisek, J.; Vrestal, J.: Mater. Sci. Eng. 50 (1995) 43.10.1016/0025-5416(81)90084-7Search in Google Scholar

12 Divinski, S.V.; Larikov, L.N.: Defect Diff. Forum 143–147 (1997) 1469.10.4028/www.scientific.net/DDF.143-147.1469Search in Google Scholar

13 Benoist, P.; Martin, G.: Thin Solid Films 25 (1975) 181.10.1016/0040-6090(75)90255-2Search in Google Scholar

14 Murch, G.E.; Rothman, S.J.: Diff. Defect Data 42 (1985) 17.10.4028/www.scientific.net/DDF.42.17Search in Google Scholar

15 Belova, I.V.; Murch, G.E.: Phil. Mag. 81 (2001) 2447.10.1080/01418610108217157Search in Google Scholar

16 Metsch, P.; Spit, F.H.M.; Bakker, H.: phys. stat. sol. a 93 (1986) 543.10.1002/pssa.2210930218Search in Google Scholar

17 Hart, E.W.: Acta metall. 5 (1957) 597.10.1016/0001-6160(57)90127-XSearch in Google Scholar

18 Kaur, I.; Mishin, Y.; Gust, W.: Fundamentals of Grain and Interphase Boundary Diffusion, John Wiley, Chichester (1995).Search in Google Scholar

19 Güthoff, F.; Mishin, Y.; Herzig, Chr.: Z. Metallkd. 84 (1993) 584.Search in Google Scholar

Received: 2001-12-22
Published Online: 2022-01-04

© 2002 Carl Hanser Verlag, München

Downloaded on 17.9.2025 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.3139/ijmr-2002-0048/html
Scroll to top button