Acta Mater. 马氏体沉淀强化不锈钢中纳米相析出演变机理及其强化行为

【引言】

17-4沉淀硬化不锈钢(17-4 PH SS)因具有高的强度以及良好的塑性，被广泛使用在核电、航空航天等领域。以往研究表明，富Cu相析出强化是造成高强度的主要原因。17-4PH SS时效过程中，多元纳米相会发生协同作用，对力学性能具有重要的影响，但协同作用机理未得到认识。本文主要对17-4 PH SS 450℃时效过程中纳米相的析出演变机理及其对力学性能的影响进行了研究。

【成果简介】

近日，上海大学刘文庆研究员(通讯作者)在Acta Mater.上发表了一篇题为“Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties  of 17-4 precipitation-hardening stainless steel”的文章。在该文章中研究人员采用HRTEM、APT等手段分析了富Cu相、NMSN相(Ni16Si7(MnNb)6)以及富Cr区的析出次序，明确了富Cu相、NMSN相与基体的晶体学关系，阐明了9R结构富Cu相为NMSN相的形成所提供的晶体学条件。

【图文解读】

图一 力学性能

显微硬度、抗拉强度和冲击韧性随时效时间的变化曲线

图二 时效1 h 

（a）Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空间分布；(b) Cu、Ni和Mn的NND统计

图三 时效8 h 

（a）Cu、Ni、Mn、Si、C人以及Nb空间分布；(b) 10% Cu等浓度面分布；(c)富Cu相的剖面成分分布

图四 时效32 h 

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空间分布;（b）10% Cu和15%Ni+Mn+Si等浓度面分布；(c) 富Cu相剖面成分分布；(d) ROI-1红色箭头方向原子一维浓度分布

图五 时效100 h 

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空间分布;（b）10% Cu和15%Ni+Mn+Si等浓度面分布；(c) 富Cu相剖面成分分布；(d) 图c中富Cu相红色箭头方向原子一维浓度分布

图六 时效200 h 

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空间分布;（b）10% Cu和15%Ni+Mn+Si等浓度面分布；(c) 图b中ROI-1\2\3富Cu相与NMSN相原子一维浓度分布

图七 富Cr区APT表征和统计

(a) 时效32h、100h和200h,Cr的NND统计；(b) 45%Cr等浓度分布以及剖面分成分布；(c) 富Cr区的“振幅”和“波长”统计

图八 HRTEM表征

(a)(b)非孪晶9R富Cu相；(c) W型孪晶9R富Cu相；(d)孪晶9R、W型9R富Cu相和NMSN相，插图为富Cu相、NMSN相和基体的傅里叶转换衍射斑

图九 数量密度等效半径统计

富Cu相与富Cr相的数量密度和等效半径的变化

图十 析出强化理论计算

富Cu相与富Cr区对强度贡献的理论计算

【小结】

本研究利用HRTEM和APT研究17-4 PH SS 450℃回火过程中纳米相的析出行为和强化机制。主要结论如下：

(1) 回火过程中力学性能变化分两个阶段。第一阶段，强度和硬度快速上升达到峰值，后缓慢降低并稳定，而冲击韧性则相反，先降至最低再缓慢上升并稳定；第二阶段，强度和硬度在一个稳定值保持数十小时后再次缓慢提高，冲击韧性保持在一个稳定值数十小时后再次降低。第一阶段是由富Cu相的析出、长大和粗化造成的，第二阶段则是在富Cu相析出、长大和粗化基础上叠加了调幅分解产生的富Cr区的强化作用所致。

(2) 多元纳米相的析出演变机制如下：共格富Cu原子团簇(1h)→共格核壳结构富Cu原子团簇/富Nb、Mo原子团簇(8h)→非孪晶9R结构富Cu相/共格NiSiMnNb原子团簇/富Cr区(32h)→W型孪晶9R结构富Cu相/共格NiSiMnNb原子团簇/富Cr区(100h)→孪晶9R结构富Cu相/BCC结构NMSN相/富Cr区(200h)。

(3) 非孪晶9R富Cu相是NMSN相和孪晶9R富Cu相的前驱相。富Nb原子团簇偏聚在富Cu相/基体的界面，有利于NMSN相析出。富Cu相、基体和NMSN相的结构关系为：(009)_9R-CRPs//(10)_BCC-Matrix//(20)_BCC-NMSN。

文献链接：Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties of 17-4 precipitation-hardening stainless steel (Acta Mater., 20 June 2018, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.031)

本文由上海大学刘文庆团队供稿，材料人编辑部编辑。

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