南京理工大學Acta Mater.：雙相不銹鋼中鐵素體相內的非均勻相分離

【引言】

雙相不銹鋼由于其較高的強度、優異的耐應力腐蝕性能及良好的焊接性被廣泛應用在核電、化工生產、海水淡化及交通運輸等各種工程領域。它在280-320℃長期服役過程中會遭受熱脆，主要是由鐵素體相內的相分離引起。所以，相應的機械性能如斷裂韌性、應力腐蝕抗力及疲勞性能都會惡化。雙相不銹鋼在服役過程出現的顯著組織退化將對核電站的安全運行造成巨大的危險，因此對于熱誘發的微觀組織演變而產生的一些基本現象吸引了廣泛關注。雙相不銹鋼中的鐵素體/奧氏體界面，對于鄰近鐵素體晶粒的塑性變形與裂紋萌發起著至關重要的作用，而且是決定其機械性能的重要因素。為了確定影響機械性能的關鍵結構或物相，對鐵素體/奧氏體界面開展相關研究是很有必要的。但是到目前為止，對于鐵素體/奧氏體界面處的相分離的相關研究卻非常少。本文將重點針對鐵素體/奧氏體界面處的元素偏析與析出相形核和鐵素體相內的相分離進行研究，以期揭示鐵素體相內不同區域的相分離動力學，同時確定影響熱脆的關鍵微觀組織特征。

【成果簡介】

近日，南京理工大學沙剛教授(通訊作者)利用APT技術對400℃時效過程的雙相不銹鋼中的鐵素體/奧氏體界面處的元素偏聚與析出相形核和鐵素體相內的相分離開展研究。研究結果發現時效時間達到20000h后雙相不銹鋼中鐵素體相內出現非均勻的相分離，熱時效誘發鐵素體/奧氏體界面處出現強烈的Ni元素偏聚，同時在界面處鐵素體內形成貧Ni區。鐵素體/奧氏體界面處Ni元素的強烈偏聚與高密度G相的形成是該鋼沖擊韌性惡化的主要原因。該成果以“Non-uniform phase separation in ferrite of a duplex stainless steel”為題發表在期刊Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖1：400℃時效過程中納米硬度與沖擊功的變化

(a) 鐵素體的納米硬度變化；

(b) 雙相不銹鋼的沖擊功變化。

圖2：鑄態雙相不銹鋼的APT表征

(a) 元素分布圖（上面是鐵素體，下面是奧氏體）；

(b) 鐵素體內鄰近點元素的濃度變化；

(c) 貫穿鐵素體/奧氏體相界面的元素線分布圖。

圖3：400℃/3000h時效的雙相不銹鋼的APT表征

(a) 元素分布圖（上面是鐵素體，下面是奧氏體）；

(b) 鐵素體內鄰近點元素的濃度變化；

(c) 貫穿鐵素體/奧氏體相界面的元素線分布圖；

(d) 從鐵素體內截取50×20×20 nm3區域的3D原子分布圖（包含Ni，Mn與Si的等值面）。

圖4：400℃/20000h時效的雙相不銹鋼的APT表征

(a) 元素分布圖(上面是鐵素體，下面是奧氏體)；

(b) 貫穿鐵素體/奧氏體相界面的元素線分布圖；

(c) 從鐵素體內截取50×20×20 nm3區域的3D原子分布圖（包含Ni，Mn與Si的等值面）。

圖5：400℃時效后鐵素體/奧氏體相界處富Ni簇團與G相的分布變化

(a) 時效3000h；

(b) 時效20000h（綠色代表Ni原子，深褐色代表C原子）。

圖6：400℃/20000h時效后鐵素體內的相分離（由內層鐵素體與相界處的貧Ni區組成，包括其中分布的α′相/藍色、α相/淺藍及G相/綠色）

左圖：400℃/20000h時效后鐵素體內的相分離分布圖；

右圖：相應區域的Cr元素濃度波動的自相關系數變化圖。

【小結】

本文利用APT技術對400℃時效過程的雙相不銹鋼中的鐵素體/奧氏體界面處的元素偏聚與析出相形核和鐵素體相內的相分離開展研究。在400℃時效過程中鐵素體內的相分離是非均勻的，熱時效誘發從鐵素體到鐵素體/奧氏體界面處強烈的Ni偏聚，同時時效20000h后在界面附近形成30nm寬的貧Ni區。內層鐵素體的相分離由調幅分解形成的α′相與α相和析出的G相組成。長期熱時效過程中，相比內層鐵素體，貧Ni區內α′相的形成將被推遲。鐵素體/奧氏體界面將給G相的非均勻形核提供有利形核位置。熱時效過程中，內層鐵素體中形成的α′相、α相與G相將對鐵素體提供硬化效應，而鐵素體/奧氏體界面處Ni元素的強烈偏聚與G相的形成將導致雙相不銹鋼的沖擊韌性惡化。

文獻鏈接：Zhang B, Xue F, Li S L, et al. Non-uniform phase separation in ferrite of a duplex stainless steel[J]. Acta Materialia, 2017.

本文由材料人編輯部許元濤編輯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！