從機(jī)理上理解鋼或鐵合金中的G相，對石油、化工和核工業(yè)有有著重要的意義。主要由于它既存在于熱時效不銹鋼中，也存在于鐵素體中，在實(shí)際高溫環(huán)境(573～1100K)下長期使用過程中會嚴(yán)重影響其結(jié)構(gòu)的完整性。

近日，來自英國倫敦帝國理工學(xué)院和我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一項聯(lián)合最新研究成果，利用密度泛函理論(DFT)方法計算并模擬了式X6M16Si7的G相析出相，其中X為Cr、Hf、Mn、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W和Zr，M為Fe或Ni。經(jīng)過大量理論計算和實(shí)驗相結(jié)合，設(shè)計出了一種新的鐵合金成分FebalCr9Ni4Si2 (Mn0.6Zr0.4)1.2at.％。相關(guān)論文以題為“G-phase strengthened iron alloys by design ”于近期發(fā)表在金屬材料頂級刊物 Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.007

在這項研究中，研究人員采用密度泛函理論（DFT）方法計算了22種不同G相化學(xué)物質(zhì)的形成能、晶格參數(shù)和彈性常數(shù)。另外，還計算了Al、Cr、Cu、Fe、Ge、Hf、Mo、Nb、P、Ta、Ti、V、Zr和空位取代Mn6Ni16Si7的G相位置擇優(yōu)方面。測試了非化學(xué)計量比的G相Fex+y+zMn6-xNi16-ySi7-z，并與相同成分的體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，d軌道的占有率與每個結(jié)構(gòu)的形成焓相關(guān)，利用過去的熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)測每個G相和體心立方（BCC）Fe之間的晶格失配，除了含Hf和Zr的G相外，所有的G相之間都預(yù)測為零失配。不僅如此，還利用了熱力學(xué)計算及實(shí)驗相結(jié)合的方法預(yù)測了FebalCr9Ni4Si2 (Mn0.6Zr0.4)1.2（at.％）混合物在室溫下能夠產(chǎn)生優(yōu)異的G相強(qiáng)化鐵合金。

圖1. 116個原子的立方G相晶胞晶格位置 Mn(紫色)、Ni1(深灰色)、Ni2(淺灰色)、Si1(深藍(lán)色)和Si2(淺藍(lán)色)

圖2.從體心立方Fe到Mn(第一列)的每個元素的替代能

在G相和體心立方結(jié)構(gòu)的116個和128個原子晶胞中，分別用14個Fe取代Mn(圓形)、Ni(正方形)和Si(開放三角形)晶格位置，并對每個晶格位置進(jìn)行了10次隨機(jī)化。對固定成分Fe3.5Mn6Ni16Si3.5進(jìn)行了計算模擬，其中Fe置換Mn，Mn占據(jù)Si位(左開口三角形)，F(xiàn)e置換Ni，Ni占據(jù)Si位(右開口三角形)。

圖3.含有G相(左陰影區(qū))和BCC(右陰影區(qū))組成的Fe-Mn-Ni-Si的生成焓和晶格參數(shù)

圖4. FebalCr9Ni3Si3(Mn0.5Zr0.5)1.2at.%系統(tǒng)中的雙G相+體心立方Fe相的形成區(qū)域

下圖FebalCr9Ni4Si2(Mn0.6Zr0.4)1.2 合金TEM暗場圖像。從圖中可以觀察到板條馬氏體具有較高的位錯密度，這是由于合金從高溫(1475K)奧氏體開始淬火所致。觀察到直徑約1 nm的細(xì)小析出物彌散分布在馬氏體相中。該區(qū)域的選區(qū)電子衍射圖顯示了具有立方-立方取向的G相結(jié)構(gòu)和體心立方相的雙重衍射圖樣。

圖5. FebalCr9Ni4Si2(Mn0.6Zr0.4)1.2 合金在773K時效24小時后的TEM暗場圖像(a)低倍率；(b)高倍率，其中(b)取自(c)中的040G點(diǎn)(虛圈)；(c)選定區(qū)域電子衍射圖

綜上所述，該項研究設(shè)計并測試了一種新的鐵合金FebalCr9Ni4Si2 (Mn0.6Zr0.4)1.2at.％，該合金成分加速了作為增強(qiáng)相G相的形成，與體心立方鐵基體粘結(jié)，避免了Laves相的析出。另外部分某些元素的作用對于G相形成的可預(yù)測性和控制性是非常重要的，充分展現(xiàn)了但G相對穩(wěn)定性和晶格失配的影響，以及為石油、化工和核工業(yè)等領(lǐng)域的鐵合金的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。