近日，北京理工大學材料科學與工程學院熊志平等人關于鋼的團簇、納米級析出和強化方面發表頂刊綜述IF=31.56，重點介紹在從高強度低合金鋼到馬氏體時效鋼的低溫體心立方相（鐵素體，貝氏體-鐵素體和馬氏體）中的團簇形成和納米析出；提供了關于這些特征的形核與長大的實驗和模型數據；評估了可能的強化機制；最后對這些鋼種的未來研究領域和挑戰進行了深刻的討論。相關研究成果以題“Clustering, nano-scale precipitation and strengthening of steels”發表在材料綜述頂級期刊Progress in Materials Science上。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100764
先進結構鋼設計的不斷創新對于制造業，汽車和建筑行業的未來發展至關重要。納米級和原子級下發生的事件在控制鋼的強度中起著至關重要的作用。目前，納米析出強化鋼的強度已經達到了1~1.5 GPa。隨著高分辨率掃描透射電子顯微鏡和原子探針斷層掃描等現代表征技術的應用，能夠深入了解溶質原子團聚和納米析出相形成的機理，以及它們與位錯的相互作用與強度貢獻比。
這篇綜述著重介紹了當前關于具有bcc/bct基體的鋼鐵和黑色合金中的沉淀和析出現象的知識。在過去約20 – 25年中，該領域取得了令人矚目的進步。最新的分析材料表征技術（例如高分辨率STEM和APT）能夠洞悉原子尺度的排列，并為進一步理解從隨機固溶體到團聚體的復雜演化序列奠定了基礎。毫無疑問，所有這些納米級析出物都在控制各類鋼種的機械性能，尤其是在屈服強度方面發揮其特定作用。這就是為什么今后有必要更好地描述強化機制，特別是團簇強化的工作。另外，當發生一種以上的沉淀時，強度得到顯著提高。因此，新鋼成分的設計及其加工路線將受益于協同析出和/或協同團簇的反應和它們之間的相互作用以及所產生的單獨或耦合的強化增量的理解。為此，需要開發與團簇和納米析出物同時發生的邊緣和螺旋位錯相互作用的新配方。
圖2.（a）在熱軋低碳鋼的鐵素體中形成的C-Cr團簇的選定原子圖。（b）C-Mo-Ti團簇和（c）（Ti，Mo）C析出在C-Mo-Ti鋼的鐵素體中。（d）團簇和納米顆粒的溶質濃度與在C-Mo-Ti鋼中形成的Gunier放射性的函數關系。圖5.相間析出的各種形成機制示意圖：（a）產生平面薄片的壁架機制和（b）產生彎曲薄片的準壁架機制；（c）導致纖維相間析出的超邊緣機制（I將碳化物固定在一個單元架上，II-碳化物的生長超過鐵素體的生長，以及III-壁架不會從碳化物上脫開，從而導致纖維狀碳化物的形成）；（d）擴展的壁架機制圖6.（a，c）在NPLE（b）和PE（d）條件下，鐵素體/馬氏體（本來是奧氏體）界面上的碳原子圖和（b，d）組成圖圖7.轉變溫度對（a）層間間距和（b）沉淀物數量密度的影響圖9.（a）碳原子圖，顯示了熱軋低碳鋼的鐵素體中的Cottrell氣氛；（b）C，Mo和Nb原子圖顯示了TMP后Nb-Al-Mo鋼的多邊形鐵素體中的細小顆粒，（c）整個細小析出物的代表性濃度曲線。圖11. TEM顯微照片，顯示了貝氏體的形態：（a）顆粒貝氏體[220]；（b）針狀鐵素體[220]；（c）上貝氏體[221]；（d）下貝氏體[220]。PF是多邊形鐵素體，BF是貝氏體鐵素體，M是馬氏體，RA是殘余奧氏體。圖12.位錯系統的3D結構，其在0.63％的應變下具有強的析出物，顯示出錯綜復雜的位錯網絡，嵌入了Orowan環圖13 （a）納米貝氏體的明場TEM圖像，（b）碳原子圖和相應的7.5 at。高爐中簇和碳化物的％C等濃度表面，（c）Fe-C簇和顆粒的溶質濃度隨Guinier半徑的變化，（d）跨Fe-C碳化物的組成分布圖14 Fe-20.1Ni-1.8Mn-1.6Ti-0.59Al（wt。％）合金在823 K時效時的析出演變：（a）3.88 at。％Ti，2.92 at。Mn含量為3.38 at。600 s后出現棒狀和板狀（Fe，Ni）3（Ti，Al，Mn）和球形NiMnAl沉淀的％Al等濃度表面，（b）沿圖中所示方框橫跨板狀顆粒的濃度分布（一種）; （c）原子圖顯示Mn和Al在（Fe，Ni）3 Ti析出物中的偏析以及新的（Fe，Ni）3（Mn，Al）析出物的成核
綜述所述，現代計算機計算能力的進一步提高和第一性原理計算的應用最終將導致縮小實驗觀察到的體積與計算得出的體積之間的差距。這將使多尺度下（原子，納米，微觀和宏觀）的理論預測和實驗輸出更加緊密地結合在一起，從而可以更好地洞察材料的微觀結構和性能，并為合金設計和應用的未來發展奠定基礎。
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