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

Part II: Effect of bimodal microstructure on diffusion behavior in type-C kinetic regime
  • S.V. Divinski , F. Hisker , Y.-S. Kang , J.-S. Lee and Chr. Herzig EMAIL logo
Published/Copyright: January 4, 2022
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Abstract

For the first time, the grain boundary diffusion was investigated in a nanocrystalline material in the whole spectrum of possible kinetic regimes: types-C, B, AB, and A. The microstructure of the nanocrystalline γ-Fe-40 wt.% Ni alloy revealed two different levels of organization: the individual nano-scaled grains build up micrometer-large clusters or agglomerates of the grains. The existence of the two types of internal interfaces in the material – the boundaries between the nano-grains and between the agglomerates of these nanocrystallites (the inter- and intraagglomerate boundaries) – affected notably the C-regime of 59Fe radio-tracer diffusion and resulted in two-stage diffusion penetration profiles. The careful profile processing according to formal criteria of the given kinetic regimes allowed, for the first time, to elaborate a consistent picture of the diffusion behavior in this nanocrystalline material with a complex bimodal distribution of equilibrium and nonequilibrium internal interfaces in the same material. The absolute values of the measured diffusion coefficients and the Arrhenius parameters of Fe diffusion along the nanocrystalline boundaries in nano-γ-Fe-40 wt.% Ni (D0 = 4:2 ⨯ 10–3 m2s–1, Q = 187 kJ mol–1) are very similar to the Fe grain boundary diffusivity in coarse-grained γ-Fe. The activation enthalpy of diffusion along the inter-agglomerate boundaries (D0 = 3:4 ⨯ 10–3 m2s–1, Q = 148 kJ mol–1) is notably smaller and the absolute diffusivity is larger by two to three orders of magnitude than the corresponding values of Fe diffusion via the nanoboundaries. The observed features are explained by a quasi-equilibrium structure of the nanocrystalline GBs, related to the grain growth during sample preparation, whereas the residual interagglomerate boundaries remained in nonequilibrium state. The potential contribution of the numerous triple junctions in the nano-material to short-circuit diffusion was investigated in detail and was found to be negligible under the present experimental conditions.

Abstract

Erstmals wurden Messungen der Korngrenzendiffusion in einem nanokristallinen Material im gesamten möglichen kinetischen Diffusionsspektrum durchgeführt: Stadium C, B, AB und A. Die Mikrostruktur der nanokristallinen γ-Fe-40 Gew.% Ni Legierung war in zweifacher Weise organisiert: die im Nanometerbereich liegenden individuellen Körner bildeten ihrerseits Agglomerate im Mikrometergrößenbereich. Es lagen somit im Material zwei Arten von inneren Grenzflächen vor: Korngrenzen zwischen den individuellen Nano-Körnern und Grenzflächen zwischen den Agglomeraten dieser Nanokristallite (Inter- und Intraagglomeratgrenzen), wodurch das Diffusionsverhalten von 59Fe im Stadium C Bereich ganz wesentlich beeinflusst wurde durch die Ausbildung zweistufiger Diffusionsprofile. Die Auswertung der Diffusionsprofile entsprechend den definierten formalen Kriterien der verschiedenen kinetischen Stadien ergab erstmals ein konsistentes Bild für das Diffusionsverhalten im Nano-Material mit einer komplexen bimodalen Verteilung von Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsgrenzflächen in demselben Material. Die gemessenen Absolutwerte und die Arrheniusparameter für die Diffusion entlang der Nano-Korngrenzen in γ-Fe-40 Gew.% Ni (D0 = 4:2 ⨯ 10–3 m2s–1, Q = 187 kJ mol–1) stimmen gut überein mit der Korngrenzendiffusion von Fe in grobkristallinem γ-Fe. Die Aktivierungsenthalpie für die Diffusion entlang der Agglomeratgrenzen (D0 = 3:4 ⨯ 10–3 m2s–1, Q = 148 kJ mol–1) ist deutlich kleiner, und die Absolutwerte der Grenzflächendiffusion sind zwei bis drei Dekaden größer als die entsprechenden Werte der Fe-Diffusion entlang der Nano-Korngrenzen. Diese Befunde können durch die Annahmen erklärt werden, dass sich die Strukturen der Nano-Korngrenzen, bedingt durch das Kornwachsturm während der Probenpräparation, im Quasigleichgewicht befinden, während andererseits die Interagglomeratgrenzen strukturell noch im Nichtgleichgewicht vorliegen. Der mögliche Beitrag der zahlreichen Tripelpunkte im Nano-Material zur Kurzschlussdiffusion wurde detailliert untersucht und war bei den gegebenen experimentellen Bedingungen zu vernachlässigen.


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”.

References

1 Divinski, S.V.; Hisker, F.; Kang, Y.-S.; Lee, J.-S.; Herzig, Chr.: Z. Metallkd. 93 (2002) 256.10.3139/146.020256Search in Google Scholar

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

3 Birringer, R.; Hahn, H.; Höfler, H.; Katch, J.; Gleiter, H.: Defect Diff. Forum 59 (1988) 17.10.4028/www.scientific.net/DDF.59.17Search in Google Scholar

4 Schumacher, S.; Birringer, R.; Strauss, R.; Gleiter, H.: Acta metall. 37 (1989) 2485.10.1016/0001-6160(89)90046-1Search in Google Scholar

5 Würschum, R.; Farber, P.; Dittmar, R.; Scharwaechter, P.; Frank, W.; Schaefer, H.-E.: Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 4918.10.1103/PhysRevLett.79.4918Search in Google Scholar

6 Würschum, R.; Reimann, K.; Gruß, S.; Kubler, A.; Scharwaechter, P.; Frank, W.; Kruse, O.; Carstanjen, H.D.; Schaefer, H.-E.: Phil. Mag. B 76 (1997) 407.10.1080/01418639708241104Search in Google Scholar

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

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

9 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

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

11 Luo, J.; Adak, S.; Stevens, R.: J. Mater. Sci. 33 (1998) 5301.10.1023/A:1004481813393Search in Google Scholar

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

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

14 Balandin, I.L.; Bokstein, B.S.; Egorov, V.K.; Kurkin, P.V.: Nanostr. Mater. 8 (1997) 37.10.1016/S0965-9773(97)00063-9Search in Google Scholar

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

16 Schwartzendruber, L.J.; Itkin, V.P.; Alcock, C.B.: ASM Handbook 3 (1992) 2.Search in Google Scholar

17 Klinger, L.M.; Levin, L.A.; Peteline, A.L.: Defect Diff. Forum 143–147 (1997) 1523.10.4028/www.scientific.net/DDF.143-147.1523Search in Google Scholar

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

19 Divinski, S.V.; Hisker, F.; Kang, Y.-S.; Lee, J.-S.; Herzig, Chr.: Interface Sci. (2002), in press.Search in Google Scholar

20 Lacombe, P.; Guiraldenq, P.; Leymonie, C.: 4th Colloque de Metallurgie, Saclay, Presses Universitaires de France (1992) 105.Search in Google Scholar

21 Guiraldenq, P.; Lacombe, P.: Acta metall. 13 (1965) 51.10.1016/0001-6160(65)90030-1Search in Google Scholar

22 Blakely, J.M.; Mykura, H.: Acta metall. 11 (1963) 399.10.1016/0001-6160(63)90164-0Search in Google Scholar

23 Lange, F.F.: J. Am. Ceram. Soc. 67 (1984) 83.10.1111/j.1151-2916.1984.tb09620.xSearch in Google Scholar

24 Lee, J.-S.; Kang, Y.-S.: Scripta mater. 44 (2001) 1591.10.1016/S1359-6462(01)00780-1Search in Google Scholar

Received: 2001-12-20
Published Online: 2022-01-04

© 2002 Carl Hanser Verlag, München

Downloaded on 16.11.2025 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.3139/ijmr-2002-0049/pdf
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