導讀：本文研究了熱機械加工Mo、Cr、V和Nb合金鐵素體鋼的組織和拉伸性能。微觀結構由占主導的多邊形鐵素體（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簇的形成。并且首次研究了這類鋼中納米級間相析出物的共格和模量強化機制，其主要貢獻是晶界強化和納米級析出，分別為約280 MPa和395 MPa，團簇強化也比較明顯(~150-170 MPa)。
沉淀硬化是一種有效的合金強化機制，這一機制可以提高高達150~300MPa的屈服強度。Ti，Nb，Mo，Cr和V是高強度低合金鋼鐵素體組織中常用的合金元素。為了達到顯著的強化效果，析出物要結構完整且密度較高，這樣才能有效的限制塑性加工過程中位錯的運動。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鐵轉變過程中，合金碳化物不斷在遷移的奧氏體和鐵素體界面聚集的結果。這個過程導致了特殊碳化物排列的出現，或是碳氮化物平行于γ/α界面，被稱為相間析出。
雖然科學家和鋼鐵行業發展人員在20世紀70、80年代已經開始關注相間析出現象，但是自21世紀初以來，人們對這一現象又重新燃起了興趣。這源于780MPa強度的Ti、Mo高強低合金鋼在日本的發展，這種鋼的強度比傳統的550-600MPa等級的高強低合金鋼高了很多。如此高的強度是由于鐵素體晶粒細化和析出強化的作用。由于它的納米尺寸和高密度，細小粒子隨機沉淀造成的強度提高相比，相間析出可以讓鋼的強度增量提高一倍。對于相間析出造成的析出強化而言，其很大程度上受到在一定碳化物體積分數下碳化物的層間距、顆粒間距和碳化物半徑的影響。相間析出鋼的進一步發展已經促成了日本公司生產出有1200MPa強度的新等級NANO鋼——達到了迄今為止單相鐵素體鋼的最高強度。這些低碳鋼不僅有高強度，而且還有其他優異的性能，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進行微合金化，比較不同合金化組合物的效果。此外，通過利用先進的實驗技術(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制對強度的貢獻。相關研究成果以題“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
本文設計并且對兩種微合金鋼進行熱機械加工，得到了有相間析出的鐵素體組織。盡管在熱加工過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，析出的驅動力也就更強，這導致了大量在奧氏體組織和γ→α相轉變過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代表第二階段區域。
圖2 (a-b)MoCrNbV鋼和VCrNb鋼的明場區域透射電鏡照片，顯示了鐵素體中的位錯結構。(c)暗場(DF)透射電鏡和(d) BF顯微照片顯示相對粗大的隨機MC碳化物可能起源于奧氏體。(e)亞晶界析出物d區放大矩形區域的HADDEF-掃描投射電子顯微圖和相應的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。插圖中顯示了相應的衍射圖案，并用紅圈標出了用于形成每個顯微圖像的斑點。(c,d)STEM顯微照片分別記錄了(c)MoCrNbV和(d)VCrNb鋼中行的排列細節。
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)對應的濃度分布。
圖5 VCrNb鋼中的纖維析出：(a)BF-STEM顯微照片顯示了幾個平行纖維。(b)STEM-HAADF顯微圖基體/纖維顆粒界面臺階顯微照片。(c)HAADF-STEM顯微圖和圖(a)中被選中的對應的平行纖維STEN-EDS圖譜。空間軸是[011]。
HRTEM和APT數據都證實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)中放大的矩形區域1。所有顯微圖都在[011]區域軸上成像。
圖7 對MoCrNbV鋼進行最大分離距離分析后，得到了(a)元素3d 原子探針圖和(b)探針體積中無規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，去除了基質子。分析的離子總數為44,237,826。
圖8對VCrNb鋼進行最大分離距離分析后，得到了(a)元素3d 原子探針圖和(b)探針體積中無規相和界面相析出物的放大分布。分析的離子總數為17,328,516。為了(b)的清晰度，去除了基質子。
圖9 團簇和沉淀物的形態：a團簇、b團簇、c棒狀顆粒和d盤狀顆粒。
圖10 MoCrNbV (a,c,e) 和VCrNb (b,d,f)鋼中團簇和碳化物(a,b)的尺寸分布及團簇(c,d)和納米顆粒(e,f)組成的演變。
根據確定的臨界尺寸及其無序的原子排列，兩種鋼中的納米顆粒中都有析出了團簇。這樣就可以估算出，團簇大約可以提高150~170MPa的屈服強度。
在VCrNb鋼中，這兩種鋼顯示出良好的力學性能組合，屈服強度超過800 MPa。假設共格強化和模量強化機制首次在該鋼中應用，估計納米級析出對強度的顯著貢獻達到(~395- 400MPa)。
圖11 估算主要由相間析出作為(a)沉淀物大小和(b)沉淀物體積分數的函數的沉淀強化
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