上海大学《Scripta Mater》突破原有认知！提出轻质钢κ-碳化物形核新机制

由于高强度、高塑性、低密度和良好的耐腐蚀性能，Fe-Mn-Al-C系轻质钢在航空航天和化学工业等重要领域都极具应用潜力。奥氏体基Fe-Mn-Al-C轻质钢中的κ-碳化物与基体共格，纳米尺寸κ-碳化物的析出可使该轻质钢强度提高350MPa以上，同时保持良好的塑性，因此其析出调控对轻质钢的性能提高具有重要意义。目前普遍认为奥氏体中纳米尺寸κ-碳化物是通过调幅分解和有序化的过程形成和长大的，但一直缺乏确切的实验证据。

近日，上海大学先进凝固技术中心CAST和法国科学院UMET实验室合作研究发现通过亚快速凝固获得轻质钢铸态薄板中存在大量纳米级κ-碳化物，为认识纳米级碳化物的形成提供了良好条件。利用球差校正高分辨扫描透射电子显微镜和三维原子探针对亚快速凝固下Fe-20Mn-9Al-3Cr-1.2C (wt. %)轻质钢的κ-碳化物进行表征，研究发现纳米κ-碳化物具有有序的L′12结构，但没有发现调幅分解所产生的元素配分现象。借助于热力学计算进一步研究显示轻质钢中奥氏体相在400-800℃范围内不具备发生调幅分解的热力学条件。从而提出奥氏体中κ-碳化物晶核是通过形核机制直接形成，这一发现突破了原有晶内纳米κ-碳化物形成机制的认知，相关论文以“Revisiting the formation mechanism of intragranular κ-carbide in austenite of a Fe-Mn-Al-Cr-C low-density steel”为题发表在金属材料领域顶级期刊Scripta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113836

图1是亚快速凝固薄板铸态和时效态样品中κ-碳化物的TEM-DF图像和HRSTEM-HAADF图像。表明两个状态样品中κ-碳化物都具有有序的L′12结构，晶体衍射的信息表明亚快速凝固薄板铸态样品中κ-碳化物的C元素具有一定的有序化。时效处理后，κ-碳化物的尺寸由2-3 nm长大到10 nm左右，同时C元素的有序化程度提高。

图1 亚快速凝固薄板铸态和时效态样品中κ-碳化物的TEM-DF图像和HRSTEM-HAADF图像。

图2是亚快速凝固薄板铸态样品奥氏体内组成元素的三维原子探针表征结果。铸态样品中发现了具有有序结构的κ-碳化物，但三维原子探针的结果却显示各个组成元素在奥氏体中分布是完全均匀的，没有调幅分解过程中的元素配分现象。

图2 亚快速凝固薄板铸态样品奥氏体内组成元素的三维原子探针表征结果。

图3是时效态样品奥氏体内组成元素的三维原子探针表征结果。随着κ-碳化物的长大，时效态样品中κ-碳化物和奥氏体之间出现明显的元素配分，这与之前的研究中所观察到的现象是一致的。κ-碳化物中具有更高的Al和C元素，更少的Fe元素，而Mn和Cr元素在两相中的配分则不明显。

图3 时效态样品奥氏体内组成元素的三维原子探针表征结果。

图4中（a）是经典文献给出的调幅分解发生时溶混间隙和相应自由能应遵循的曲线示意图。与形核-长大机制不同，调幅分解不需要形核能量势垒，但发生时会导致总体的吉布斯自由能降低。调幅分解后产生的相与母相具有一致的晶格结构，因此在自由能曲线上，产生相的自由能沿着同一条曲线移动。为了使总的能量降低，就要求调幅分解发生时自由能-成分的曲线具有负的曲率，如图4（a）中x1-x2之间的区域。轻质钢在400-800℃的温度区间内热力学计算显示，可变的Al和C含量范围中FCC相自由能-成分的三维曲面不具有负的曲率，表明该轻质钢奥氏体在这个温度和成分范围内不具有调幅分解的热力学条件。

图4

综上所述，本工作发现轻质钢奥氏体中的纳米尺寸κ-碳化物是由形核-长大机制形成的，而不是传统认识上的调幅分解-有序化过程。本工作的研究成果同时在实验和理论上揭示了κ-碳化物形成机制，为轻质钢κ-碳化物的析出调控和高性能轻质钢的研发提供了支撑。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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