《Acta Materialia》首次揭示具有相间析出的铁素体钢强化机制！

析出强化是合金的有效强化机制之一，可以提升高达150-300MPa屈服强度。碳化物形成元素Ti、Nb、Mo、Cr和V是高强度低合金(HSLA)钢中常用的微合金化元素。为了达到显著的强化效果，在塑性变形过程中限制位错的运动，析出相应该是高密度细小的。在铁素体中，析出相可能随机或呈带状分布。后者是在奥氏体-铁素体相变过程中，碳化物在迁移奥氏体(γ)/铁素体(α)界面上反复形核的结果。这一过程导致平行于γ/α界面的特征碳化物或碳氮化物出现，称为相间析出(IP)。虽然对相间析出已有一定研究，但是强化机制及强化效果尚不明确。

澳大利亚伍伦贡大学的研究人员首次明确了铁素体钢中纳米级析出相的共格和模量强化机制（coherency and modulus strengthening mechanisms），估算了不同强化机制对屈服强度的提升，主要贡献是晶界强化和纳米级析出相，分别约为280MPa和395MPa，团簇强化约150-170MPa。相关论文以题为“Application of advanced experimental techniques to elucidate the strengthening mechanisms operating in microalloyed ferritic steels with interphase precipitation”发表在金属材料领域顶刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.014

本研究制备了两种低合金钢，成分分别为：0.08C-1.5Mn-0.3Si-0.2Ni-0.0131N和0.68（Cr+Mo+V+Nb）或0.73（Cr+V+Nb）(wt%)，即MoCrNbV和VCrNb钢。铸造后进行1250℃×30h均质处理；在900-1200℃下锻造，使铸块宽度减少3.5倍；而后进行热轧，在1250℃进行平面压缩，总应变为1.35，冷却至600℃保温900s，最后空冷至室温。

研究发现虽然热轧过程中析出顺序是相同的，但由于两种钢成分不同，析出相的分布和特征也不同。与MoCrVNb钢相比，VCrNb钢在奥氏体和γ/α形成过程中具有更多析出相，这是由于碳化物和碳氮形成元素的含量较高，从而为析出提供了更高的驱动力。

STEM和APT数据都证实了所研究的钢中存在圆形相间析出相。只有在VCrNb钢中发现了相间纤维碳化物，这是由于与MoCrVNb钢相比，VCrNb钢具有更大的过冷度，从而导致了γ/α转变有所不同。根据确定的临界尺寸和原子的无序排列，两种钢中的团簇从纳米粒子中分离出来，进而估算出团簇增强对屈服强度的贡献约为150-170MPa。两种钢均具有良好的机械性能组合，VCrNb钢的屈服强度超过800MPa。本文认为共格弥散强化和模量错配强化机制首次在该类钢中出现，纳米级析出对强度的显著贡献约395-400MPa。相关研究结果对低合金钢的设计与性能估算具有指导作用。（文：破风）

图1 MoCrNbV(a,c)和VCrNb(b,d)钢的微观结构SEM图，(e,f)为颗粒对应的EDX光谱

图2 (a,b)分别为MoCrNbV和VCrNb钢的亮场TEM图；(c)暗场透射电镜；(d) BF-STEM图；(e)为(d)中放大矩形区域的STEM HAADF图和相应的STEM-EDS图

图3 (a) MoCrNbV和(b) VCrNb钢的TEM图；(c) MoCrNbV钢和(d) VCrNb钢的HAADF和BF-STEM图

图4 α/MCα界面(a) MoCrNbV钢和(b) VCrNb钢的STEM HAADF图；(c)在单轴拉伸变形后VCrNb钢中析出相的STEM HAADF图；(d)矩形区域放大

图5 (a)三维原子探针图和(b)随机析出相和相间析出相的放大分布

图6 (a)元素三维原子探针图和(b) VCrNb钢中随机析出相和相间析出相的分布