超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼廣泛用于許多關(guān)鍵應(yīng)用，例如飛機(jī)起落架、火箭外殼和高性能軸和管，因為它們具有卓越的強(qiáng)度、出色的焊接性和易加工性。 Fe-Ni-Ti是馬氏體時效鋼的經(jīng)典體系，其強(qiáng)度主要來源于Ni₃Ti金屬間化合物的析出。這些析出物在馬氏體基體中半共格成核，具有極高的數(shù)密度和細(xì)粒度，可提供顯著的時效硬化響應(yīng)。然而，許多 Fe-Ni-Ti 馬氏體時效鋼被發(fā)現(xiàn)在時效處理后出現(xiàn)嚴(yán)重的晶界 (GB) 脆化，這嚴(yán)重限制了它們的工業(yè)應(yīng)用。盡管過去幾十年進(jìn)行了大量研究，但馬氏體時效鋼的 GB 脆化機(jī)制仍然存在爭議。了解脆化和去脆化的基本機(jī)制對于開發(fā)具有改進(jìn)性能的先進(jìn)鋼的策略至關(guān)重要。

來自香港理工大學(xué)的學(xué)者通過實驗和理論技術(shù)的結(jié)合，研究結(jié)果表明，F(xiàn)e-Ni-Ti 馬氏體時效鋼存在嚴(yán)重的晶間脆化，其機(jī)制與 GBs 處粗大Ni₃Ti 析出物和相關(guān)無析出物區(qū) (PFZs) 的形成有關(guān)，這促進(jìn)了裂紋沿晶界的萌生和擴(kuò)展GB。有趣的是，在馬氏體時效鋼中添加 Mo 可有效抑制晶間脆化，從而顯著提高延展性。原子分析表明，Mo 通過減少 Ni 和 Ti 的偏析使晶界變脆，這大大抑制了晶界處粗大Ni₃Ti 析出物和 PFZ 的形成，從而減輕了它們對晶界開裂的有害影響。此外，Mo 偏析增強(qiáng)了 GB 的內(nèi)聚力，這可能在抑制 GB 斷裂方面起次要作用。相關(guān)文章以“Atomic-scale understanding of solute interaction effects on grain boundary segregation, precipitation, and fracture of ultrahigh-strength maraging steels”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118972

圖 1. (a) α-Fe Σ3 [110] (111) 對稱傾斜 GB 和 (b) 塊體 bcc Fe 的原子結(jié)構(gòu)模型。

圖 2. (a) 不含鉬和 (c) 含鉬鋼在不同條件下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線； (b) 無鉬鋼和 (d) 含鉬鋼在 2小時時效條件下的斷裂表面。

圖 3. 2 小時時效條件下不含鉬和含鉬鋼的顯微組織：(a) 不含鉬鋼，EBSD IPF 圖，(b)含鉬鋼，EBSD IPF 圖，(c)無鉬鋼，EBSD 相圖，(d) 含鉬鋼，EBSD相圖，(e) 無鉬鋼，SEM 顯微照片，和 (f) 含鉬鋼，SEM 顯微照片。

圖 4. (a) HAADF-STEM 圖像和 (b) 無鉬鋼在 2 小時時效條件下的相應(yīng) SAED 圖，(c) Fe、(d) Ni 和 (e) Ti 的 EDS 圖和 (f) EDS 線掃描對應(yīng)于 (a) 中的紅色虛線。

圖 5. Mofree 鋼在 2 小時時效條件下的 APT 表征：(a) Ni（綠色）和 Ti（藍(lán)色）的原子圖，以及覆蓋在 Fe 原子圖上的 6 at.% Ti 等濃度表面（尺寸：60 × 60 × 140 nm³）；(b) 1 nm 厚的 Ni 和 Ti 原子圖通過代表性沉淀物的中心；(c) Ni₃Ti 沉淀物的鄰近直方圖；(d) 的高分辨率原子圖GB 區(qū)域的 Ni 和 Ti； (e) 沿著 (a) 中的圓柱垂直于GB 的一維濃度分布。

圖 6. (a) 含鉬鋼在 2 小時時效條件下的 HAADF-STEM 圖像，以及 (b) Mo、(c) Ni 和 (d) Ti 的 EDS 圖

圖 7. 含鉬鋼在 2 小時時效條件下的 APT 表征：(a) Mo（紅色）、Ni（綠色）和 Ti（藍(lán)色）以及 6 at.% Ti 的原子圖覆蓋在 Mo 原子圖上的等濃度表面（尺寸：25 × 25 × 80 nm³），(b) GB 區(qū)域的 Mo、Ni 和 Ti 的高分辨率原子圖，以及 (c) 垂直于 GB 的一維濃度分布(a)中的圓柱體。

圖 8. (a) EBSD IPF 圖和 (b) 無鉬鋼在 2 小時時效條件下開裂行為的高倍 SEM 圖像。

圖 9. Ni、Ti、Mo在Σ3[110](111)GB不同位點(diǎn)的GB偏析能

圖 10. Mo 在不同位置對 (a) Ni 和 (b) Ti 偏析能變化的彈性和化學(xué)貢獻(xiàn)。

圖 11. Fe-Ni-Ti-（Mo）馬氏體時效鋼的脆化和去脆化機(jī)制示意圖。

本研究通過實驗和計算相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地分析了溶質(zhì)相互作用對 Fe-Ni-Ti-(Mo) 馬氏體時效鋼晶界偏析、析出和斷裂的影響。發(fā)現(xiàn)Fe-Ni-Ti馬氏體時效鋼存在嚴(yán)重的晶間脆化。 晶間脆化的主要來源是在晶界處形成粗大的Ni₃Ti 析出物和相關(guān)的 PFZ，這促進(jìn)了裂紋沿晶界的萌生和擴(kuò)展。有趣的是，在 Fe-Ni-Ti 馬氏體時效鋼中添加 Mo 可有效抑制晶間脆化并顯著提高延展性。 APT 揭示了 GB 中 Mo 的明顯偏析。同時，晶界中 Ni 和 Ti 的偏析明顯減少，晶界處 Ni₃Ti 的析出尺寸顯著細(xì)化。 Mo 對馬氏體時效鋼的去脆化作用可歸因于 Ni 和 Ti 的晶界偏析減少，這抑制了晶界處粗 Ni₃Ti 沉淀物和相關(guān) PFZ 的形成。 Mo 偏析還增強(qiáng)了GB 的內(nèi)聚力，這可能在抑制 GB 斷裂方面起次要作用。