析出強化是改善金屬合金機械性能最有效的方法之一，因此在冶金學和晶體學中一直受到密切關注。例如，納米級析出物可有效的提高鐵素體/貝氏體鋼的強度，而不會影響其延展性和可成形性。在煉鋼過程中，通過微合金化元素（例如Ti，Nb和V）與鋼中的碳和氮形成碳氮化物可實現這種納米級析出物的成核和生長，例如碳氮化鈦（TiCN），碳氮化鈮（NbCN）和碳氮化釩（VCN）。
強化效果很大程度上依賴於此類納米析出物的微小粒徑和高密度。因此，在鋼加工過程中以及在高溫服役期間，合理的調整和保持這些析出物的尺寸對於獲得和維持最終部件的強度至關重要。所以進一步了解這些析出物在原子級尺度上的形核與生長機理，將能夠為開發更好的合金和解決合金機械性能退化的問題提供新的視角。
近日，德國波鴻魯爾大學的研究者（王紅才博士和李玉嬌博士）通過高解析度透射電子顯微鏡（HR-TEM）結合三維原子探針層析成像（3D-APT），揭示了鋼中碳氮化釩（VCN）在鐵素體中行核和生長的早期階段機理。相關結果近日以題為「Revealing the two-step nucleation and growth mechanism of vanadium carbonitrides in microalloyed steels」發表於Scripta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.041
研究發現，碳氮化釩（VCN）的形成始於V原子在局部取代基體Fe原子而形成的體心立方（bcc）先驅體。這些先驅體與基體保持共格並在其周邊產生彈性應變能。在析出物隨後的生長過程中，彈性應變能隨之不斷增加。孿晶狀面心立方（fcc）中間結構的形成則是析出物自適應應變從而降低能量的途徑。隨著粒子的不斷生長，析出物逐漸失去與基體的共格能力，並成長為圓盤或片狀。同時，孿晶狀的中間晶體結構也轉變為平衡的fcc碳氮化釩（VCN）結構。
這項研究獲得的見解，不僅對於原子尺度模擬鋼中碳氮化物的成核和早期生長過程具有巨大的價值，也同時為其他體系從體心立方到面心立方的晶體轉變過程提供了啟示。
圖1. 鐵素體晶粒中[001]晶向納米尺寸VCN的HR-TEM顯微照片。（a）鐵素體晶格。（b）VCN前驅體。由於Fe被V原子取代而引起的晶格畸變。（c）-（e）VCN沉澱物的生長過程中孿晶狀中間結構的形成。（f）較大的VCN沉澱物與基體失去共格並逐漸變成球形。
圖2. VCN顆粒的3D-APT分析。（a）-（b）用於確定bcc-Fe [001]極（左）和VCN粒子（右）位置的極圖分析。（c）顯示bcc-Fe（200）晶面和VCN析出物的原子分布圖。
*感謝王紅才博士等人對本文的大力支持。
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