香港理工Acta Materialia：纳米析出强化钢的晶界不连续析出机制及调控机理

2020-12-21 11:25:23 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

纳米析出强化钢是近年来国内外迅速发展的先进高强钢之一，其具有高强度、高塑性和良好的焊接性能，在航空航天、交通运输和海洋工程等领域有重大的应用潜力。但是，高强钢的晶界处能量高、扩散快，容易形成尺寸粗大的不连续析出相，引起晶界断裂，严重降低材料的强韧性，这也是众多析出强化合金普遍存在的一个问题。

最近，香港理工大学焦增宝团队以NiAl纳米析出强化钢为模型，探索了高强钢的晶界不连续析出机制及调控机理，发现调控Cu元素的晶内配分和晶界偏析，可以消除晶界处尺寸粗大的不连续析出相，促进NiAl纳米相的均匀析出，显著提高材料的强韧性。论文第一作者为香港理工大学博士生周冰晨，通讯作者为香港理工大学焦增宝博士，合作者还包括香港城市大学杨涛博士、栾军华博士，金属所周刚博士、王皞博士，论文以“Mechanisms for suppressing discontinuous precipitation and improving mechanical properties of NiAl-strengthened steels through nanoscale Cu partitioning”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420309988

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在纳米析出强化钢中，NiAl相有两种竞争性的析出模式：一种是连续析出，即NiAl相在基体上形成均匀分布的球形纳米颗粒；另一种是不连续析出，即NiAl相在晶界上形核，并随着晶界的移动而形成NiAl相与基体相间分布的胞状组织，这类晶界析出相的尺寸粗大、分布不均匀，严重降低高强钢的强韧性。

本研究发现，调控Cu元素的晶界偏析和晶内配分，可以有效的消除高强钢的晶界不连续析出，获得在晶界和晶内均匀分布的NiAl纳米析出相。研究发现，Cu元素抑制晶界不连续析出相的机理有两方面：1）Cu元素偏析到NiAl连续析出相中，加速了晶内NiAl相的连续析出，快速降低了基体的过饱和度，从而降低了晶界处不连续析出相的生长动力；2）Cu元素偏析在晶界处，降低了晶界的能量，从而降低了晶界处不连续析出相的形核动力。

力学测试表明，通过调控Cu元素在纳米尺度的偏析和配分， NiAl析出相的数量密度增加了五倍，析出强化效果提高了两倍，并显著改善了材料的抗过时效能力。经Cu元素调制后，NiAl析出强化钢的屈服强度从925MPa提高到1400MPa，并保持10%的延伸率和40%的断面收缩率，获得了良好的强塑性匹配。

图1. NiAl析出强化钢的晶界不连续析出相（DP, 白色区域）：（a）固溶态，（b）时效7.5分钟，（c）时效30分钟，（d）时效2小时，（e）衍射斑点，（f）不连续析出相的暗场像

图2. Cu元素抑制了NiAl强化钢的晶界不连续析出相（DP, 白色区域）：（a-c）添加0.5 %Cu，（d-f）添加1%Cu，（g-i）添加1.5%Cu

图3. Cu元素促进了NiAl纳米颗粒的连续析出：（a-c） 0Cu合金的析出组织，（d-f） 1.5%Cu合金的析出组织

图4. Cu元素的晶界偏析抑制了晶界不连续析出相的形成：（a）1.5Cu合金在时效1分钟的晶界组织，（d-f） 1.5Cu合金在时效2小时的晶界组织

图5.Cu元素晶内配分和晶界偏析抑制晶界不连续析出的机理

图6. Cu元素对NiAl析出强化钢力学性能的影响：（a）时效硬度，（b）拉伸性能

通讯作者简介：

焦增宝博士，香港理工大学机械工程学系助理教授。2010年于北京科技大学吕昭平教授研究组获硕士学位，2014年于香港城市大学C.T. Liu院士研究组获博士学位，2016年于麻省理工学院C.A. Schuh院士研究组从事纳米金属材料研究，2017年加入香港理工大学。研究兴趣主要集中在超高强度钢、高熵合金、高温合金和纳米晶的合金设计、组织性能调控以及纳米结构的三维原子探针表征。发表在Science、Nature Commun、Mater Today、Acta Mater 等期刊论文五十余篇，担任Acta Mater、Scripta Mater、Intermetallics等多种期刊审稿人，课题组主页：www.zbjiao.hk。

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