Acta Mater. 馬氏體沉淀強化不銹鋼中納米相析出演變機理及其強化行為

【引言】

17-4沉淀硬化不銹鋼(17-4 PH SS)因具有高的強度以及良好的塑性，被廣泛使用在核電、航空航天等領域。以往研究表明，富Cu相析出強化是造成高強度的主要原因。17-4PH SS時效過程中，多元納米相會發生協同作用，對力學性能具有重要的影響，但協同作用機理未得到認識。本文主要對17-4?PH SS 450℃時效過程中納米相的析出演變機理及其對力學性能的影響進行了研究。

【成果簡介】

近日，上海大學劉文慶研究員(通訊作者)在Acta Mater.上發表了一篇題為“Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties ?of 17-4 precipitation-hardening stainless steel”的文章。在該文章中研究人員采用HRTEM、APT等手段分析了富Cu相、NMSN相(Ni16Si7(MnNb)6)以及富Cr區的析出次序，明確了富Cu相、NMSN相與基體的晶體學關系，闡明了9R結構富Cu相為NMSN相的形成所提供的晶體學條件。

【圖文解讀】

圖一?力學性能

顯微硬度、抗拉強度和沖擊韌性隨時效時間的變化曲線

圖二 時效1 h?

（a）Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布；(b) Cu、Ni和Mn的NND統計

圖三 時效8 h?

（a）Cu、Ni、Mn、Si、C人以及Nb空間分布；(b) 10% Cu等濃度面分布；(c)富Cu相的剖面成分分布

圖四 時效32 h?

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布;（b）10%?Cu和15%Ni+Mn+Si等濃度面分布；(c) 富Cu相剖面成分分布；(d) ROI-1紅色箭頭方向原子一維濃度分布

圖五 時效100 h?

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布;（b）10%?Cu和15%Ni+Mn+Si等濃度面分布；(c) 富Cu相剖面成分分布；(d) 圖c中富Cu相紅色箭頭方向原子一維濃度分布

圖六 時效200 h?

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布;（b）10%?Cu和15%Ni+Mn+Si等濃度面分布；(c)?圖b中ROI-1\2\3富Cu相與NMSN相原子一維濃度分布

圖七 富Cr區APT表征和統計

(a)?時效32h、100h和200h,Cr的NND統計；(b) 45%Cr等濃度分布以及剖面分成分布；(c) 富Cr區的“振幅”和“波長”統計

圖八 HRTEM表征

(a)(b)非孿晶9R富Cu相；(c)?W型孿晶9R富Cu相；(d)孿晶9R、W型9R富Cu相和NMSN相，插圖為富Cu相、NMSN相和基體的傅里葉轉換衍射斑

圖九 數量密度等效半徑統計

富Cu相與富Cr相的數量密度和等效半徑的變化

圖十 析出強化理論計算

富Cu相與富Cr區對強度貢獻的理論計算

【小結】

本研究利用HRTEM和APT研究17-4 PH?SS 450℃回火過程中納米相的析出行為和強化機制。主要結論如下：

(1)?回火過程中力學性能變化分兩個階段。第一階段，強度和硬度快速上升達到峰值，后緩慢降低并穩定，而沖擊韌性則相反，先降至最低再緩慢上升并穩定；第二階段，強度和硬度在一個穩定值保持數十小時后再次緩慢提高，沖擊韌性保持在一個穩定值數十小時后再次降低。第一階段是由富Cu相的析出、長大和粗化造成的，第二階段則是在富Cu相析出、長大和粗化基礎上疊加了調幅分解產生的富Cr區的強化作用所致。

(2) 多元納米相的析出演變機制如下：共格富Cu原子團簇(1h)→共格核殼結構富Cu原子團簇/富Nb、Mo原子團簇(8h)→非孿晶9R結構富Cu相/共格NiSiMnNb原子團簇/富Cr區(32h)→W型孿晶9R結構富Cu相/共格NiSiMnNb原子團簇/富Cr區(100h)→孿晶9R結構富Cu相/BCC結構NMSN相/富Cr區(200h)。

(3)?非孿晶9R富Cu相是NMSN相和孿晶9R富Cu相的前驅相。富Nb原子團簇偏聚在富Cu相/基體的界面，有利于NMSN相析出。富Cu相、基體和NMSN相的結構關系為：(009)_9R-CRPs//(10)_BCC-Matrix//(20)_BCC-NMSN。

文獻鏈接：Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties of 17-4 precipitation-hardening stainless steel?(Acta Mater., 20 June 2018, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.031)

本文由上海大學劉文慶團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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