镍铝协同调控二次硬化钢微观组织与力学性能的机理研究及低成本高性能合金设计

为解决高成本钴依赖问题，本研究通过添加Ni和Al促进NiAl和M2C双相析出，开发低成本二次硬化钢。结果表明NiAl粒子有效抑制位错回复和粗大渗碳体形成，显著提高强度（YS达1868 MPa），但过量添加导致冲击韧性下降（Akv2降至26 J）。研究为低成本高强度高韧性钢设计提供了新策略。

　　

在航空航天关键部件如起落架和航母弹射钩中，二次硬化钢因其优异的强度-韧性组合而备受青睐。传统高性能二次硬化钢如AerMet100依赖于高钴含量（>13 wt.%）来促进M₂C碳化物析出以实现强化，但钴的战略重要性和高昂成本严重限制了其广泛应用。近年来，低钴钢种如M54（含7 wt.% Co）虽降低成本16.6%，但通过提高碳含量维持强度会导致韧性下降。因此，开发低成本、高性能且不依赖高钴的二次硬化钢成为材料领域的迫切需求。

镍（Ni）和铝（Al）的添加为替代钴提供了一种新思路：它们可形成B2结构的NiAl金属间化合物，不仅能提供显著的析出强化作用，还能影响碳化物的析出行为。然而，NiAl粒子在提升强度的同时往往导致韧性劣化，这种强韧化矛盾尚未得到系统解决。究竟NiAl如何影响微观组织演化？其与M₂C碳化物的相互作用机制如何？能否通过成分优化实现强度与韧性的平衡？这些问题亟待深入探究。

为此，研究人员在低钴（5 wt.%）基础成分上，通过添加不同含量的Ni和Al（设计出9Ni0Al、11Ni1Al和13Ni2Al三种实验钢），系统研究了Ni和Al对微观组织演变和力学性能的影响。研究成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为低成本高性能二次硬化钢的设计提供了重要理论依据和实验支撑。

本研究采用真空感应熔炼制备实验钢锭，经锻造和轧制后进行标准热处理：900°C固溶1h后油淬，立即进行-73°C深冷处理1h，再在510°C下时效2-24h。利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察微观组织，X射线衍射（XRD）分析相组成和位错密度，结合能谱（EDS）进行成分表征。力学性能测试包括维氏硬度、室温拉伸和夏比冲击实验，采用标准试样确保结果可靠性。

3.1. Microstructural evolution

淬火和深冷处理后，所有实验钢均呈现典型的板条马氏体组织，残余奥氏体含量仅为1-2 vol.%，Ni和Al的添加对淬火态组织影响不大。时效处理后，9Ni0Al钢中出现粗大板状渗碳体，随时效时间延长逐渐溶解；而11Ni1Al和13Ni2Al钢中未见渗碳体，表明NiAl粒子的形成抑制了渗碳体析出。TEM分析证实，9Ni0Al钢中渗碳体尺寸为100-300 nm（长轴）和30 nm（短轴），而含NiAl钢中则观察到细小的M₂C碳化物和球形NiAl粒子共存，且两者与马氏体基体保持共格关系。随着Ni、Al含量增加，NiAl粒子尺寸和数密度增大（半径从1.4 nm增至1.6 nm，数密度从1.6×10²⁴ m^-3增至1.9×10²⁴ m^-3），同时M₂C碳化物变得更细小、分布更均匀（长轴从15.7 nm减至11.2 nm，数密度从2.1×10²³ m^-3增至6.6×10²³ m^-3）。

3.2. Reversed austenite

在510°C时效24h后，9Ni0Al钢中观察到Ni富集的逆转奥氏体薄膜，沿马氏体板条边界分布。尽管NiAl的形成会消耗部分Ni，但并未明显影响逆转奥氏体的形成动力学，表明NiAl析出对Ni的扩散和逆转过程干扰较小。

3.3. Mechanical properties

随时效时间延长，含NiAl钢的硬度峰值出现时间缩短（2h内），峰硬度显著提高（较9Ni0Al钢提高120-200 HV_0.5）。拉伸性能显示，随着Ni、Al含量增加，屈服强度（YS）从1343 MPa升至1391 MPa，抗拉强度（UTS）从1815 MPa升至1976 MPa，但延伸率（EL）和断面收缩率（RA）明显下降，冲击韧性（Akv₂）从37 J大幅降至26 J。11Ni1Al钢在强度（YS=1868 MPa）和韧性（Akv₂=26 J）间取得最佳平衡，而13Ni2Al钢虽强度最高（YS=2088 MPa），但韧性急剧恶化（Akv₂=12 J）。断口分析表明，随着NiAl含量增加，裂纹萌生区宽度减小，韧窝变浅，断裂方式由韧性断裂逐渐向解理断裂转变，二次裂纹增多。

研究通过强化机制定量分析揭示了性能变化的内在原因。NiAl粒子通过位错钉扎抑制回复，提高位错强化贡献（9Ni0Al为463 MPa，13Ni2Al增至622 MPa）；同时通过顺序强化、模量失配和共格应变强化机制提供476-614 MPa的析出强化。M₂C碳化物通过Orowan绕过机制贡献763-804 MPa强化。然而，高密度NiAl粒子限制位错运动，降低裂纹尖端塑性，且位错剪切导致NiAl粒子破碎和微裂纹形成，从而恶化韧性。

本研究证实，通过添加Ni和Al形成NiAl粒子，可有效抑制渗碳体析出、细化M₂C碳化物，显著提高二次硬化钢的强度。然而，NiAl含量过高会导致韧性急剧下降。11Ni1Al成分（Fe-0.23C-5Co-11.2Ni-3Cr-1.2Mo-1Al）在510°C时效5h后获得最佳强韧性匹配（YS=1868 MPa, Akv₂=26 J），为低成本、高性能二次硬化钢的设计提供了重要参考。该研究不仅深化了对NiAl和M₂C协同强化机制的理解，也为通过成分优化调控微观组织、平衡强度与韧性提供了新途径，对推动航空航天材料的发展具有重要意义。