東北大學：提出強磁場時效多組分納米析出分層結構鋼新策略

導讀：本文研究了時效過程中的強磁場（HMF）對多組分納米沉澱鋼中富Cu析出物和Ni（AlMn）析出物共沉澱析出行為的影響。結果表明，HMF促進了富Cu和Ni（AlMn）共析出物的分層結構的構建。研究認為，時效過程中，由於熱力學變化，HMF增加了二次沉澱的成核速率，從而細化了二次沉澱。同時，在回火後的進一步時效過程中，由於Cu原子的擴散增加，HMF提高了一次析出的Ostwald熟化速率，從而加速了粗化過程。

以B2晶體結構的NiAl納米顆粒和鐵素體中納米級富Cu沉澱物（CRPs）共析強化為主的多組份納米析出鋼在析出機理、成分、組織和性能之間的關係等方面得到了廣泛的關注。分層結構：較細的結構增強了基體，增加了強度，而粗化的結構軟化了基體，從而提供了延展性，這是在多組分納米沉澱鋼中平衡強度和延展性之間權衡的另一種方法。通過淬火-回火-回火熱處理，在鋼中發現一種由馬氏體和奧氏體組成的分層結構，以提高塑性和韌性。其他由奧氏體還原和分級CRPs組成的分層組織以及粗化一次共析出相和二次共析出相也被證實可以改善鋼在多級熱處理後的偏析、強度和延性。層狀結構的形成幾乎歸因於外部附加元素（Mo，Ti，Hf等）和熱處理的調製。附加元素可能會改變原始材料的內在特性，並且熱c處理調整可能會增加加工的複雜性。因此，探索除增加元素和熱處理調製外的其他變化策略，對優化和獲得多組分納米析出鋼的層次結構具有重要意義。

外強磁場(HMF)是改變材料微觀結構的有力工具，廣泛應用於凝固和固相轉變。關於固相轉變中的析出行為，HMF影響了相的組成和分布，成核和生長，排列和取向，相變以及相對析出物在複雜碳化物，單個析出物方面的性質。HMF的貢獻主要與磁化能量有關，磁化能量會改變相變的熱力學和動力學，並取決於相的磁性。儘管目前已經進行了許多有關HMF對沉澱行為的影響的工作，但很少關注HMF對共沉澱物的影響，尤其是對CRPs和NiAl共析沉澱物的影響。

基於此，東北大學材料電磁處理重點實驗室左小偉教授團隊選擇了Fe-Cu-Ni-Mn-Al鋼（Cu / Ni鋼），它是一種典型的通過CRPs和NiAl沉澱物進行沉澱硬化的鋼，以闡明HMF對沉澱的影響。通過透射電子顯微鏡（TEM）和3D原子探針層析成像（APT）著重描述了CRPs和NiAl沉澱的微觀結構。結果表明，時效過程中的外部HMF促進了多組分納米沉澱鋼中CRPs和NiAl顆粒的分層共沉澱的構建，而沒有任何其他元素和熱處理調製。相關研究成果以題「A novel strategy for hierarchical structure in multicomponent nano-precipitated steels by high magnetic field aging」發表在國際材料頂刊 Scripta materialia上。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.09.035

沒有HMF的樣品中的微觀結構（圖1a）在基質中顯示出高密度的沉澱相，其中沉澱相的分布相對均勻，但是具有12T HMF的樣品中的微觀結構顯示出高密度但不均勻的析出相，其中大部分析出物顯示出更細的尺寸，而一小部分顯示出更大的尺寸。

圖1 處理後樣品中析出物的明場透射電鏡(TEM)顯微圖和沿[001]帶軸顯示相應選擇的區域衍射圖樣，(a)不含HMF，(b)與HMF平行方向的12T HMF，(c)與12T HMF法線方向的Cu/Ni鋼時效共析出物的等濃度表面，(d)不含HMF，(e)含12T HMF，以及相應的半徑(f) 0T，(g) 12T的統計頻率分布。

圖2 兩種典型納米粒子在Cu/Ni鋼中的一維組成分布。(a) 0-T樣品和(d) 12-T樣品中的小尺寸共沉澱物；大尺寸粗化共沉澱在(b, c) 0-T樣品和(e, f) 12-T樣品中。插入物顯示了相應的納米顆粒的形態

圖3 （a）CRPs-0T內Cu / Ni鋼中納米顆粒的不同組的鄰近直方圖；（b）CRPs-12T；（c）CRPs-12T，無粗大顆粒；（d）Ni（AlMn）粒子-0T；（e）Ni（AlMn）12T顆粒；（f）沒有粗大顆粒的Ni（AlMn）12T顆粒。

綜上所述，HMF促進了分層共沉澱物，增加了硬度，但對共析出物從核殼結構演變為鄰近結構的影響可以忽略不計。分層共沉澱物的形成被認為是由於二次顆粒的回火以及由於銅擴散增加而引起的回火和進一步時效使一次顆粒的粗化速率增加，從而導致二次共沉澱物成核速率增加的結果。它為調整層次結構提供了一種新穎的綠色環保策略，並擴大了HMF在材料結構演變中的應用。