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納米析出強化鋼是近年來國內外迅速發展的先進高強鋼之一，其具有高強度、高塑性和良好的焊接性能，在航空航天、交通運輸和海洋工程等領域有重大的應用潛力。但是，高強鋼的晶界處能量高、擴散快，容易形成尺寸粗大的不連續析出相，引起晶界斷裂，嚴重降低材料的強韌性，這也是眾多析出強化合金普遍存在的一個問題。
最近，香港理工大學焦增寶團隊以NiAl納米析出強化鋼為模型，探索了高強鋼的晶界不連續析出機制及調控機理，發現調控Cu元素的晶內配分和晶界偏析，可以消除晶界處尺寸粗大的不連續析出相，促進NiAl納米相的均勻析出，顯著提高材料的強韌性。論文第一作者為香港理工大學博士生周冰晨，通訊作者為香港理工大學焦增寶博士，合作者還包括香港城市大學楊濤博士、欒軍華博士，金屬所周剛博士、王皞博士，論文以「Mechanisms for suppressing discontinuous precipitation and improving mechanical properties of NiAl-strengthened steels through nanoscale Cu partitioning」發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia上。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420309988
在納米析出強化鋼中，NiAl相有兩種競爭性的析出模式：一種是連續析出， 即NiAl相在基體上形成均勻分布的球形納米顆粒；另一種是不連續析出，即NiAl相在晶界上形核，並隨著晶界的移動而形成NiAl相與基體相間分布的胞狀組織，這類晶界析出相的尺寸粗大、分布不均勻，嚴重降低高強鋼的強韌性。
本研究發現，調控Cu元素的晶界偏析和晶內配分，可以有效的消除高強鋼的晶界不連續析出，獲得在晶界和晶內均勻分布的NiAl納米析出相。研究發現，Cu元素抑制晶界不連續析出相的機理有兩方面：1）Cu元素偏析到NiAl連續析出相中，加速了晶內NiAl相的連續析出，快速降低了基體的過飽和度，從而降低了晶界處不連續析出相的生長動力；2）Cu元素偏析在晶界處，降低了晶界的能量，從而降低了晶界處不連續析出相的形核動力。
力學測試表明，通過調控Cu元素在納米尺度的偏析和配分， NiAl析出相的數量密度增加了五倍，析出強化效果提高了兩倍，並顯著改善了材料的抗過時效能力。經Cu元素調製後，NiAl析出強化鋼的屈服強度從925MPa提高到1400MPa，並保持10%的延伸率和40%的斷面收縮率，獲得了良好的強塑性匹配。
圖1. NiAl析出強化鋼的晶界不連續析出相(DP, 白色區域)：(a) 固溶態，(b) 時效7.5分鐘，(c) 時效30分鐘，(d) 時效2小時，(e) 衍射斑點，(f) 不連續析出相的暗場像
圖2. Cu元素抑制了NiAl強化鋼的晶界不連續析出相(DP, 白色區域)：(a-c) 添加0.5 %Cu，(d-f) 添加1%Cu，(g-i) 添加1.5%Cu
圖3. Cu元素促進了NiAl納米顆粒的連續析出：(a-c) 0Cu合金的析出組織，(d-f) 1.5%Cu合金的析出組織
圖4. Cu元素的晶界偏析抑制了晶界不連續析出相的形成：(a)1.5Cu合金在時效1分鐘的晶界組織，(d-f) 1.5Cu合金在時效2小時的晶界組織
圖5.Cu元素晶內配分和晶界偏析抑制晶界不連續析出的機理
圖6. Cu元素對NiAl析出強化鋼力學性能的影響：(a) 時效硬度，(b) 拉伸性能
通訊作者簡介：
焦增寶博士，香港理工大學機械工程學系助理教授。2010年於北京科技大學呂昭平教授研究組獲碩士學位，2014年於香港城市大學C.T. Liu院士研究組獲博士學位，2016年於麻省理工學院C.A. Schuh院士研究組從事納米金屬材料研究，2017年加入香港理工大學。研究興趣主要集中在超高強度鋼、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徵。發表在Science、Nature Commun、Mater Today、Acta Mater 等期刊論文五十餘篇，擔任Acta Mater、Scripta Mater、Intermetallics等多種期刊審稿人，課題組主頁：www.zbjiao.hk。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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