导读：退火硬化现象普遍存在于单相固溶体中，包括过渡金属元素组成的面心立方(FCC)合金。然而，由于缺乏直接的微观组织证据，此现象的机理仍不明确。在该研究中，作者采用多尺度的原位加热表征技术，深入研究了冷变形MP35N (Co₃₅Ni₃₅Cr₂₄Mo₆, at.%)合金在不同温度退火后的微观结构演变。研究表明，在550°C退火前后，合金的晶体结构、晶界特征和变形组织均没有明显变化。然而，透射电镜原位加热实验和原子分辨率EDS分析结果表明，550°C退火促使了Mo元素向晶界处发生了纳米级偏聚，这一过程伴随着晶界能降低。偏聚的Mo元素与相邻原子发生强烈的电荷交换，提高了晶界的会聚能，增加了晶界附近应变场，从而提高了位错运动的阻力。因此，晶界强化效应得到增强，使得有Mo偏聚的细晶样品(3.2μm)表现出显著的退火硬化现象，而在未发生Mo偏聚的粗晶样品(202.2μm)中则未观察到硬化现象。此外，作者发现更高温度退火会诱发调幅分解促使FCC相到μ相的界面相变，并伴随着明显的位错回复，这反而减弱了退火硬化效应。本研究为深入理解退火硬化现象提供了新的视角，并为高性能结构合金的后续开发中优化冷加工和热处理工艺提供了重要的理论指导。

钴镍基合金具有优异的强塑性、耐高温和抗腐蚀性，在航空航天、海洋工程和油气钻探等领域具有广泛的应用。钴镍基合金优异的力学性能主要源于其优异的退火硬化效应，即冷变形的钴镍基合金经过中温退火后强度可进一步提升300-500MPa。然而，其退火硬化机制仍存在争议，主要体现在以下三个方面：(1)有人提出退火过程中Mo偏聚到了HCP相中形成了Co₃Mo第二相，导致了硬化。然而，后来的研究表明冷变形产生的片层组织是变形孪晶而非HCP相。(2)后续有人提出溶质原子偏聚到了层错处，产生了铃木硬化，从而导致了合金强度的提升。然而，由于以前谱学分析技术的空间分辨率十分有限，目前仍缺乏层错处结构和成分的原子尺度证据。(3)第一性原理计算表明溶质原子与晶界的相互作用能显著高于与层错的相互作用能，这表明溶质原子更倾向于晶界偏聚，因此需要进一步研究来确定溶质原子的偏聚位置。

针对以上问题，作者以典型的MP35N(Co₃₅Ni₃₅Cr₂₄Mo₆, at.%)钴镍基合金为研究对象，采用多尺度的原位表征手段，结合球差校正透射电镜和原子分辨率的能谱分析技术等，对冷变形MP35N合金在退火过程中的微观结构演变进行了系统的研究。

                 图1 MP35N的初始结构

(a) XRD，(b) EBSD，(c) ADF-STEM图像和对应EDS面扫，(d) HAADF-STEM图和对应EDS面扫图

         图2 冷变形MP35N合金在不同温度退火后的力学性能

                                     (a) 维氏硬度，(b) 工程应力应变曲线

      图3 冷变形MP35N的微观组织在透射电镜原为加热时的演变

        (a) 微观组织随加热温度的演变，(b) 晶界附近的元素分布加热温度的演变

    图4 冷变形MP35N合金在550°C退火前后晶界附近元素分布的变化

(a) 退火后MP35N合金的HAADF-STEM图和对应EDS面扫图，(b) 退火后MP35N合金的HAADF-STEM图和对应EDS面扫图

研究发现，在550°C退火前后，合金的晶体结构、晶界特征和位错结构几乎没有变化，但在晶界处观察到有Mo元素偏聚。晶界偏聚的Mo原子与相邻原子进行了强烈的电荷交换，增强了晶界的内聚能，并通过增加晶界附近的应变场提高了位错运动的阻力。因此，晶界强化效应得到增强，导致具有Mo偏聚的细晶样品(3.2 μm)中产生显著的退火强化，而在没有Mo偏聚的粗晶样品(202.2 μm)中未观察到硬化现象。此外，还发现较高温度退火会引发从FCC相到富钼μ相的界面相变，同时伴随着显著的位错回复，这反而削弱了退火硬化效应。该研究不仅为退火硬化现象提供了更深入的见解，而且对于优化高性能结构材料的冷加工和热处理工艺具有重要的指导意义，有望为航空紧固件用高温合金性能提升和工艺改进方面带来新的思路和方法。

湖南大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位，助理教授程清为论文第一作者，清华大学谭福盛博士为共同一作，徐先东教授、瑞典皇家理工学院的Xiaoqing Li和苏州材料实验室的甘斌教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、中南大学粉末冶金国家重点实验室开放基金、博士后面上和国家资助博士后研究人员计划等项目的支持。