超高强度马氏体时效钢广泛用于许多关键应用，例如飞机起落架、火箭外壳和高性能轴和管，因为它们具有卓越的强度、出色的焊接性和易加工性。 Fe-Ni-Ti是马氏体时效钢的经典体系，其强度主要来源于Ni₃Ti金属间化合物的析出。这些析出物在马氏体基体中半共格成核，具有极高的数密度和细粒度，可提供显着的时效硬化响应。然而，许多 Fe-Ni-Ti 马氏体时效钢被发现在时效处理后出现严重的晶界 (GB) 脆化，这严重限制了它们的工业应用。尽管过去几十年进行了大量研究，但马氏体时效钢的 GB 脆化机制仍然存在争议。了解脆化和去脆化的基本机制对于开发具有改进性能的先进钢的策略至关重要。

来自香港理工大学的学者通过实验和理论技术的结合，研究结果表明，Fe-Ni-Ti 马氏体时效钢存在严重的晶间脆化，其机制与 GBs 处粗大Ni₃Ti 析出物和相关无析出物区 (PFZs) 的形成有关，这促进了裂纹沿晶界的萌生和扩展GB。有趣的是，在马氏体时效钢中添加 Mo 可有效抑制晶间脆化，从而显着提高延展性。原子分析表明，Mo 通过减少 Ni 和 Ti 的偏析使晶界变脆，这大大抑制了晶界处粗大Ni₃Ti 析出物和 PFZ 的形成，从而减轻了它们对晶界开裂的有害影响。此外，Mo 偏析增强了 GB 的内聚力，这可能在抑制 GB 断裂方面起次要作用。相关文章以“Atomic-scale understanding of solute interaction effects on grain boundary segregation, precipitation, and fracture of ultrahigh-strength maraging steels”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118972

图 1. (a) α-Fe Σ3 [110] (111) 对称倾斜 GB 和 (b) 块体 bcc Fe 的原子结构模型。

图 2. (a) 不含钼和 (c) 含钼钢在不同条件下的工程应力-应变曲线； (b) 无钼钢和 (d) 含钼钢在 2小时时效条件下的断裂表面。

图 3. 2 小时时效条件下不含钼和含钼钢的显微组织：(a) 不含钼钢，EBSD IPF 图，(b)含钼钢，EBSD IPF 图，(c)无钼钢，EBSD 相图，(d) 含钼钢，EBSD相图，(e) 无钼钢，SEM 显微照片，和 (f) 含钼钢，SEM 显微照片。

图 4. (a) HAADF-STEM 图像和 (b) 无钼钢在 2 小时时效条件下的相应 SAED 图，(c) Fe、(d) Ni 和 (e) Ti 的 EDS 图和 (f) EDS 线扫描对应于 (a) 中的红色虚线。

图 5. Mofree 钢在 2 小时时效条件下的 APT 表征：(a) Ni（绿色）和 Ti（蓝色）的原子图，以及覆盖在 Fe 原子图上的 6 at.% Ti 等浓度表面（尺寸：60 × 60 × 140 nm³）；(b) 1 nm 厚的 Ni 和 Ti 原子图通过代表性沉淀物的中心；(c) Ni₃Ti 沉淀物的邻近直方图；(d) 的高分辨率原子图GB 区域的 Ni 和 Ti； (e) 沿着 (a) 中的圆柱垂直于GB 的一维浓度分布。

图 6. (a) 含钼钢在 2 小时时效条件下的 HAADF-STEM 图像，以及 (b) Mo、(c) Ni 和 (d) Ti 的 EDS 图

图 7. 含钼钢在 2 小时时效条件下的 APT 表征：(a) Mo（红色）、Ni（绿色）和 Ti（蓝色）以及 6 at.% Ti 的原子图覆盖在 Mo 原子图上的等浓度表面（尺寸：25 × 25 × 80 nm³），(b) GB 区域的 Mo、Ni 和 Ti 的高分辨率原子图，以及 (c) 垂直于 GB 的一维浓度分布(a)中的圆柱体。

图 8. (a) EBSD IPF 图和 (b) 无钼钢在 2 小时时效条件下开裂行为的高倍 SEM 图像。

图 9. Ni、Ti、Mo在Σ3[110](111)GB不同位点的GB偏析能

图 10. Mo 在不同位置对 (a) Ni 和 (b) Ti 偏析能变化的弹性和化学贡献。

图 11. Fe-Ni-Ti-（Mo）马氏体时效钢的脆化和去脆化机制示意图。

本研究通过实验和计算相结合的方法，系统地分析了溶质相互作用对 Fe-Ni-Ti-(Mo) 马氏体时效钢晶界偏析、析出和断裂的影响。发现Fe-Ni-Ti马氏体时效钢存在严重的晶间脆化。 晶间脆化的主要来源是在晶界处形成粗大的Ni₃Ti 析出物和相关的 PFZ，这促进了裂纹沿晶界的萌生和扩展。有趣的是，在 Fe-Ni-Ti 马氏体时效钢中添加 Mo 可有效抑制晶间脆化并显着提高延展性。 APT 揭示了 GB 中 Mo 的明显偏析。同时，晶界中 Ni 和 Ti 的偏析明显减少，晶界处 Ni₃Ti 的析出尺寸显着细化。 Mo 对马氏体时效钢的去脆化作用可归因于 Ni 和 Ti 的晶界偏析减少，这抑制了晶界处粗 Ni₃Ti 沉淀物和相关 PFZ 的形成。 Mo 偏析还增强了GB 的内聚力，这可能在抑制 GB 断裂方面起次要作用。