導(dǎo)讀：本文研究了熱機(jī)械加工Mo、Cr、V和Nb合金鐵素體鋼的組織和拉伸性能。微觀結(jié)構(gòu)由占主導(dǎo)的多邊形鐵素體（平均晶粒尺寸為4±3μm）和高密度的納米尺寸盤狀沉淀物（直徑2~4nm，最厚的地方1±0.4nm）組成。V、Cr、Nb微合金化鋼中出現(xiàn)了相界纖維碳化物。在界面析出相之間和行間的鐵素體基體中可以觀察到團(tuán)簇的形成。并且首次研究了這類鋼中納米級(jí)間相析出物的共格和模量強(qiáng)化機(jī)制，其主要貢獻(xiàn)是晶界強(qiáng)化和納米級(jí)析出，分別為約280 MPa和395 MPa，團(tuán)簇強(qiáng)化也比較明顯(~150-170 MPa)。
沉淀硬化是一種有效的合金強(qiáng)化機(jī)制，這一機(jī)制可以提高高達(dá)150~300MPa的屈服強(qiáng)度。Ti，Nb，Mo，Cr和V是高強(qiáng)度低合金鋼鐵素體組織中常用的合金元素。為了達(dá)到顯著的強(qiáng)化效果，析出物要結(jié)構(gòu)完整且密度較高，這樣才能有效的限制塑性加工過(guò)程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在鐵素體中，析出相可能隨意分布或是存在相行間。后者是在γ鐵向α鐵轉(zhuǎn)變過(guò)程中，合金碳化物不斷在遷移的奧氏體和鐵素體界面聚集的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致了特殊碳化物排列的出現(xiàn)，或是碳氮化物平行于γ/α界面，被稱為相間析出。
雖然科學(xué)家和鋼鐵行業(yè)發(fā)展人員在20世紀(jì)70、80年代已經(jīng)開始關(guān)注相間析出現(xiàn)象，但是自21世紀(jì)初以來(lái)，人們對(duì)這一現(xiàn)象又重新燃起了興趣。這源于780MPa強(qiáng)度的Ti、Mo高強(qiáng)低合金鋼在日本的發(fā)展，這種鋼的強(qiáng)度比傳統(tǒng)的550-600MPa等級(jí)的高強(qiáng)低合金鋼高了很多。如此高的強(qiáng)度是由于鐵素體晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化的作用。由于它的納米尺寸和高密度，細(xì)小粒子隨機(jī)沉淀造成的強(qiáng)度提高相比，相間析出可以讓鋼的強(qiáng)度增量提高一倍。對(duì)于相間析出造成的析出強(qiáng)化而言，其很大程度上受到在一定碳化物體積分?jǐn)?shù)下碳化物的層間距、顆粒間距和碳化物半徑的影響。相間析出鋼的進(jìn)一步發(fā)展已經(jīng)促成了日本公司生產(chǎn)出有1200MPa強(qiáng)度的新等級(jí)NANO鋼——達(dá)到了迄今為止單相鐵素體鋼的最高強(qiáng)度。這些低碳鋼不僅有高強(qiáng)度，而且還有其他優(yōu)異的性能，如很好的彈性、可焊性和可伸縮性。
基于此，本文采用Mo、Cr、V、Nb進(jìn)行微合金化，比較不同合金化組合物的效果。此外，通過(guò)利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)(高分辨率掃描透射電子顯微鏡(HRSTEM)和原子探針斷層掃描(APT))，深入了解不同操作機(jī)制對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果以題“Application of advanced experimental techniques to elucidate the strengthening mechanisms operating in microalloyed ferritic steels with interphase precipitation”發(fā)表在金屬頂刊Acta materialia上
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.014
本文設(shè)計(jì)并且對(duì)兩種微合金鋼進(jìn)行熱機(jī)械加工，得到了有相間析出的鐵素體組織。盡管在熱加工過(guò)程中析出的順序是相同的，但是由于鋼成分的不同，析出相的分布和特征也不同。與MoCrVNb相比，在VCrNb鋼中，由于碳化物-碳氮化物形成元素的含量更高，析出的驅(qū)動(dòng)力也就更強(qiáng)，這導(dǎo)致了大量在奧氏體組織和γ→α相轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成的相間析出。
圖1 MoCrNbV（a,c）和VCrNb（b,d）鋼微觀組織的掃描電鏡照片及粒子（e,f）的EDX譜圖。c和d中的紅色箭頭分別表示e和f中獲取edx光譜的粒子。SPR代表第二階段區(qū)域。
圖2 (a-b)MoCrNbV鋼和VCrNb鋼的明場(chǎng)區(qū)域透射電鏡照片，顯示了鐵素體中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。(c)暗場(chǎng)(DF)透射電鏡和(d) BF顯微照片顯示相對(duì)粗大的隨機(jī)MC碳化物可能起源于奧氏體。(e)亞晶界析出物d區(qū)放大矩形區(qū)域的HADDEF-掃描投射電子顯微圖和相應(yīng)的STEM-EDS分析圖。
圖3 DF (a)MoCrNbV和(b)VCrNb鋼的TEM圖顯示了在鐵素體中的相間析出。插圖中顯示了相應(yīng)的衍射圖案，并用紅圈標(biāo)出了用于形成每個(gè)顯微圖像的斑點(diǎn)。(c,d)STEM顯微照片分別記錄了(c)MoCrNbV和(d)VCrNb鋼中行的排列細(xì)節(jié)。
圖4 (a,c)MoCrNbV和(b,d)VCrNb鋼相間析出的HAADF-STEM顯微圖(a,b)和(c,d)對(duì)應(yīng)的濃度分布。
圖5 VCrNb鋼中的纖維析出：(a)BF-STEM顯微照片顯示了幾個(gè)平行纖維。(b)STEM-HAADF顯微圖基體/纖維顆粒界面臺(tái)階顯微照片。(c)HAADF-STEM顯微圖和圖(a)中被選中的對(duì)應(yīng)的平行纖維STEN-EDS圖譜?？臻g軸是[011]。
HRTEM和APT數(shù)據(jù)都證實(shí)了所研究的鋼中存在圓盤狀的相間析出物。僅在VCrNb鋼中觀察到碳化物纖維，這可以解釋為這種鋼的過(guò)冷度比MoCrVNb鋼大，因此γ→α相相變階段更加提前。
圖6 具有代表性的α/MCα 界面(a)MoCrNbV鋼和(b)VCrNb鋼的顯微圖像。在單軸拉伸變形后VCrNb鋼中相間析出的(c)STEM-HAADF圖和(c)中放大的矩形區(qū)域1。所有顯微圖都在[011]區(qū)域軸上成像。
圖7 對(duì)MoCrNbV鋼進(jìn)行最大分離距離分析后，得到了(a)元素3d 原子探針圖和(b)探針體積中無(wú)規(guī)相和界面相析出物的放大分布(V 3D原子探針圖中以虛線矩形突出)。為了(b)的清晰度，去除了基質(zhì)子。分析的離子總數(shù)為44,237,826。
圖8對(duì)VCrNb鋼進(jìn)行最大分離距離分析后，得到了(a)元素3d 原子探針圖和(b)探針體積中無(wú)規(guī)相和界面相析出物的放大分布。分析的離子總數(shù)為17,328,516。為了(b)的清晰度，去除了基質(zhì)子。
圖9 團(tuán)簇和沉淀物的形態(tài)：a團(tuán)簇、b團(tuán)簇、c棒狀顆粒和d盤狀顆粒。
圖10 MoCrNbV (a,c,e) 和VCrNb (b,d,f)鋼中團(tuán)簇和碳化物(a,b)的尺寸分布及團(tuán)簇(c,d)和納米顆粒(e,f)組成的演變。
根據(jù)確定的臨界尺寸及其無(wú)序的原子排列，兩種鋼中的納米顆粒中都有析出了團(tuán)簇。這樣就可以估算出，團(tuán)簇大約可以提高150~170MPa的屈服強(qiáng)度。
在VCrNb鋼中，這兩種鋼顯示出良好的力學(xué)性能組合，屈服強(qiáng)度超過(guò)800 MPa。假設(shè)共格強(qiáng)化和模量強(qiáng)化機(jī)制首次在該鋼中應(yīng)用，估計(jì)納米級(jí)析出對(duì)強(qiáng)度的顯著貢獻(xiàn)達(dá)到(~395- 400MPa)。
圖11 估算主要由相間析出作為(a)沉淀物大小和(b)沉淀物體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的沉淀強(qiáng)化
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