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

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材料科学与工程    2020-12-21    927

  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。

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  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

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  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

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  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

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  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

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  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

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  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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