东北大学：提出强磁场时效多组分纳米析出分层结构钢新策略

导读：本文研究了时效过程中的强磁场（HMF）对多组分纳米沉淀钢中富Cu析出物和Ni（AlMn）析出物共沉淀析出行为的影响。结果表明，HMF促进了富Cu和Ni（AlMn）共析出物的分层结构的构建。研究认为，时效过程中，由于热力学变化，HMF增加了二次沉淀的成核速率，从而细化了二次沉淀。同时，在回火后的进一步时效过程中，由于Cu原子的扩散增加，HMF提高了一次析出的Ostwald熟化速率，从而加速了粗化过程。

以B2晶体结构的NiAl纳米颗粒和铁素体中纳米级富Cu沉淀物（CRPs）共析强化为主的多组份纳米析出钢在析出机理、成分、组织和性能之间的关系等方面得到了广泛的关注。分层结构：较细的结构增强了基体，增加了强度，而粗化的结构软化了基体，从而提供了延展性，这是在多组分纳米沉淀钢中平衡强度和延展性之间权衡的另一种方法。通过淬火-回火-回火热处理，在钢中发现一种由马氏体和奥氏体组成的分层结构，以提高塑性和韧性。其他由奥氏体还原和分级CRPs组成的分层组织以及粗化一次共析出相和二次共析出相也被证实可以改善钢在多级热处理后的偏析、强度和延性。层状结构的形成几乎归因于外部附加元素（Mo，Ti，Hf等）和热处理的调制。附加元素可能会改变原始材料的内在特性，并且热c处理调整可能会增加加工的复杂性。因此，探索除增加元素和热处理调制外的其他变化策略，对优化和获得多组分纳米析出钢的层次结构具有重要意义。

外强磁场(HMF)是改变材料微观结构的有力工具，广泛应用于凝固和固相转变。关于固相转变中的析出行为，HMF影响了相的组成和分布，成核和生长，排列和取向，相变以及相对析出物在复杂碳化物，单个析出物方面的性质。HMF的贡献主要与磁化能量有关，磁化能量会改变相变的热力学和动力学，并取决于相的磁性。尽管目前已经进行了许多有关HMF对沉淀行为的影响的工作，但很少关注HMF对共沉淀物的影响，尤其是对CRPs和NiAl共析沉淀物的影响。

基于此，东北大学材料电磁处理重点实验室左小伟教授团队选择了Fe-Cu-Ni-Mn-Al钢（Cu / Ni钢），它是一种典型的通过CRPs和NiAl沉淀物进行沉淀硬化的钢，以阐明HMF对沉淀的影响。通过透射电子显微镜（TEM）和3D原子探针层析成像（APT）着重描述了CRPs和NiAl沉淀的微观结构。结果表明，时效过程中的外部HMF促进了多组分纳米沉淀钢中CRPs和NiAl颗粒的分层共沉淀的构建，而没有任何其他元素和热处理调制。相关研究成果以题“A novel strategy for hierarchical structure in multicomponent nano-precipitated steels by high magnetic field aging”发表在国际材料顶刊 Scripta materialia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.09.035

没有HMF的样品中的微观结构（图1a）在基质中显示出高密度的沉淀相，其中沉淀相的分布相对均匀，但是具有12T HMF的样品中的微观结构显示出高密度但不均匀的析出相，其中大部分析出物显示出更细的尺寸，而一小部分显示出更大的尺寸。

图1 处理后样品中析出物的明场透射电镜(TEM)显微图和沿[001]带轴显示相应选择的区域衍射图样，(a)不含HMF，(b)与HMF平行方向的12T HMF，(c)与12T HMF法线方向的Cu/Ni钢时效共析出物的等浓度表面，(d)不含HMF，(e)含12T HMF，以及相应的半径(f) 0T，(g) 12T的统计频率分布。

图2 两种典型纳米粒子在Cu/Ni钢中的一维组成分布。(a) 0-T样品和(d) 12-T样品中的小尺寸共沉淀物；大尺寸粗化共沉淀在(b, c) 0-T样品和(e, f) 12-T样品中。插入物显示了相应的纳米颗粒的形态

图3 （a）CRPs-0T内Cu / Ni钢中纳米颗粒的不同组的邻近直方图；（b）CRPs-12T；（c）CRPs-12T，无粗大颗粒；（d）Ni（AlMn）粒子-0T；（e）Ni（AlMn）12T颗粒；（f）没有粗大颗粒的Ni（AlMn）12T颗粒。

综上所述，HMF促进了分层共沉淀物，增加了硬度，但对共析出物从核壳结构演变为邻近结构的影响可以忽略不计。分层共沉淀物的形成被认为是由于二次颗粒的回火以及由于铜扩散增加而引起的回火和进一步时效使一次颗粒的粗化速率增加，从而导致二次共沉淀物成核速率增加的结果。它为调整层次结构提供了一种新颖的绿色环保策略，并扩大了HMF在材料结构演变中的应用。