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金屬所-香港理工《Acta Materialia》：新型超高強韌耐蝕不銹鋼！

2021-03-11 13:17:20 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

如何獲得高強度和耐蝕性能兼備的高性能不銹鋼，是我國面臨的35項“卡脖子”技術難題之一。傳統的馬氏體時效鋼雖然具有較高的強度，但存在成本高、耐蝕性差等缺點，這一直制約著這類材料的發展。因此，如何在維持優異力學性能的前提下，降低材料成本、提高耐腐蝕性能是新一代馬氏體時效鋼的研究重點和難點。

針對這一問題，中科院金屬所王威團隊和香港理工大學焦增寶團隊合作研究了含Cr型低Ni低Co馬氏體時效不銹鋼，探索了合金元素協同作用和納米復合析出行為，利用納米Ni3Ti、富Mo相、富Cr相的復合析出強化，開發出兼具超高強度、良好塑韌性和耐腐蝕性能的新型馬氏體時效不銹鋼。論文第一作者為中科院金屬所博士生/香港理工大學訪問學生牛夢超，通訊作者為中科院金屬所王威研究員和香港理工大學焦增寶博士，合作者還包括金屬所尹利長研究員、楊柯研究員和香港城市大學欒軍華博士。論文以“Synergistic alloying effects on nanoscale precipitation and mechanical properties of ultrahigh-strength steels strengthened by Ni3Ti, Mo-enriched, and Cr-rich co-precipitates”發表在材料期刊Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421001683

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利用三維原子探針、透射電鏡和第一性原理計算研究了Fe-Cr-Ni-Co-Mo-Ti系新型馬氏體時效不銹鋼的合金元素協同作用和納米析出行為，發現合金中存在Ni3Ti、富Mo和富Cr相等多種納米析出相，各種析出相的形成不是獨立的，而是存在復雜的交互作用。

研究表明：

1）在Ni3Ti析出初期，Mo原子偏聚在Ni3Ti析出相的核心，不僅增加了Ni3Ti析出的化學驅動力，同時還降低了Ni3Ti形核的應變能，顯著加速了納米Ni3Ti的析出，獲得了高數目密度的Ni3Ti納米析出相。

2）隨著析出反應的進行，Mo原子從Ni3Ti析出相核心被排斥到Ni3Ti與基體的界面處，從而促進富Mo相在Ni3Ti與基體界面處的異質形核，獲得了高數目密度的納米富Mo相。

3）Ni3Ti相的析出也間接影響富Cr相的析出，這是因為Ni3Ti的析出消耗了大量的Ni，影響馬氏體基體的相穩定性，從而影響富Cr相的調幅分解。

利用納米Ni3Ti、富Mo相、富Cr相的復合析出強化，開發了新型超高強度不銹鋼，室溫下屈服強度為1732 MPa、拉伸強度1840MPa、塑性11%、韌性89 MPa·m1/2，在500℃時的屈服強度超過1100 MPa，因此在較寬的溫度范圍內表現出優異的力學性能。

圖1. Mo元素促進Ni3Ti相的形核：（a-f） Ti-steel和Ti/Mo-steel在不同時效時間的Ni3Ti析出組織，（g）和（h） Ni3Ti在兩種鋼材中的數量密度和體積分數

圖2. Ni3Ti相促進富Mo相的界面異質形核：（a）0.5 h, （b） 24 h, （c） 60 h時效的Ni、Ti、Mo原子分布圖

圖3. Ni3Ti的析出細化了富Mo相：（a-c） Ti/Mo-steel的微觀組織，（d-f） Mo-steel的微觀組織，（g-f）富Mo相的STEM和原子排列模擬圖

圖4.富Cr相在三種鋼材中的分布：（a-d）Mo-steel，（e-h） Ti-steel，（i-l）Ti/Mo-steel

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圖5. 新型超高強度不銹鋼中多種析出相的復合析出機制

圖6. 新型超高強度不銹鋼的力學性能：（a）室溫拉伸，（b）不同溫度拉伸性能

通訊作者：

王威研究員，中國科學院金屬研究所特種合金研究部研究員。主要從事高品質特種合金及其薄帶產品技術研發、核電用馬氏體耐熱鋼及高強高韌不銹鋼等材料的設計、制備與性能研究。目前，在Acta Mater.、JMST、ScriptaMater.等材料類期刊發表論文50余篇，出版英文專著1本，已獲相關授權專利20余項。

焦增寶博士，香港理工大學機械工程學系助理教授。主要從事超高強度鋼、高熵合金、高溫合金和納米晶的合金設計、組織性能調控以及納米結構的三維原子探針表征。發表在Science、Nature Commun.、Mater Today、Acta Mater. （14篇）等期刊論文五十余篇，被Acta Mater.、Scripta Mater.、Intermetallics等多種期刊的評為“杰出審稿人”，課題組主頁：www.zbjiao.hk。

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