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