《ACTA MATERIALIA》：Carbide Nanoprecipitates in a Multipurpose High Ni Martensitic Steel and Their Roles in Quench-Lamellarization-Tempering
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摘要
我们研究了在添加了Mo、Cr和V的高Ni、低C马氏体钢中，400–850°C温度范围内碳化物的析出与演变过程，以及这些过程对淬火-层片化-回火（QLT）处理过程中奥氏体逆转变和保留的影响。在淬火和层片化之间增加一个400–500°C的时效（A）步骤，会生成不同的碳化物纳
摘要
我们研究了在添加了Mo、Cr和V的高Ni、低C马氏体钢中，400–850°C温度范围内碳化物的析出与演变过程，以及这些过程对淬火-层片化-回火（QLT）处理过程中奥氏体逆转变和保留的影响。在淬火和层片化之间增加一个400–500°C的时效（A）步骤，会生成不同的碳化物纳米析出物分布，从而能够研究它们对650°C时层片化的作用。原子探针断层扫描显示，在时效过程中，M2C型碳化物纳米析出物（直径约为0.5–1.0纳米）主要在马氏体内部的位错和晶界处非均匀地形成。随后的层片化和回火步骤使得M2C碳化物纳米析出物要么直接从固溶体中形成（QLT过程），要么在先前的时效（QALT过程）基础上进一步生长。电子背散射衍射（EBSD）分析表明，无论是否经过额外的A步骤，Ni增强层的形态及其与原有晶界和奥氏体晶界的关联都保持不变。QLT和QALT处理所得到的微观结构相似，通过X射线衍射测得的奥氏体体积分数（约为18%）和拉伸性能也相同。纳米析出物本身并不直接影响奥氏体的逆转变，但它们在层片化和回火过程中的形成会重新分配碳元素，使马氏体和奥氏体中的碳含量减少，从而提高塑性和韧性，同时保持强度。这种“按需控制碳含量的机制”能够在淬火时将碳保留在固溶体中，并在层片化和回火过程中将其消耗掉。这种机制确保了在坚韧的马氏体基体中形成细小的奥氏体分布，增强了相变引起的塑性效应。我们的研究结果为优化需要同时具备高强度和韧性的高Ni钢提供了策略。
引言
基于对传统低温高Ni（含量5.5–9.0 wt%）钢的改良，开发出了添加了Mo、Cr和V的先进高Ni钢[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。这些钢材通过热处理实现了在常温和低温下的高强度、高韧性以及抗弹性能。其机械性能超过了商用超高强度钢，同时具有优异的焊接性和抗应力腐蚀性能[10,11]。这些钢材的不同变种已经通过传统方法（如铸造、电弧焊接[[12], [13], [14]]以及增材制造（AM）技术（例如选择性激光熔炼SLM）成功应用于海军结构领域[15]。通过淬火-层片化-回火（QLT）热处理，可以在晶粒马氏体基体中形成大量（Vf约18%）分散的、由镍稳定的奥氏体纳米晶粒[1,2,6,13,[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]，见图1）。热稳定的保留奥氏体通过相变诱导塑性（TRIP）机制[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]赋予高韧性，而马氏体基体则保持高强度。这种多功能热处理的成功依赖于溶质原子（主要是镍）向奥氏体的分配。先前对QLT处理过的10 wt% Ni钢的原子探针断层扫描（APT）分析表明，在层片化（L）步骤中形成的奥氏体层含有显著的镍富集（约14–16 wt.%），而马氏体基体中的镍含量仅为约7 wt.%。在随后的回火（T）步骤中，这些奥氏体层进一步富集镍（约20 wt%）和其他溶质原子，从而在淬火后形成高度稳定的保留奥氏体纳米晶粒。
众所周知，在马氏体钢的亚临界退火过程中，晶粒马氏体边界是奥氏体优先形核的位点，这一点在Fe–Ni合金、马氏体时效钢和结构马氏体钢的相关研究中已有广泛报道[32]。Jain等人[21]证明，在L步骤后保留的奥氏体层在后续的T步骤中可作为奥氏体生长的核化模板。还有研究表明，碳化物析出物上也可以发生不均匀的奥氏体形核现象。例如，在AF1410（Fe-14Co-10Ni-2Cr-0.2C，质量百分数）[33], [34], [35]和AerMet 100（Fe-15Co-10Ni-0.2C，质量百分数）[36]等钢材中的研究显示，渗碳体（Fe3C）和M2C碳化物的分布可以作为奥氏体形成的核化位点。对于添加了Mo、Cr和V的高Ni钢，碳化物纳米析出物是否与晶粒边界竞争成为奥氏体的核化位点这一问题尚未明确。另一个同样重要的问题是，L和T步骤中纳米析出物的形成如何影响整体强度-韧性平衡。为此，我们在初次淬火后增加了额外的时效步骤A（QALT，见图2a），从而在层片化之前在马氏体基体中预先分布了可控量的碳化物纳米析出物。QLT-QALT对比实验使我们能够评估预存在的碳化物纳米析出物是否为奥氏体提供了额外的核化位点。我们系统地研究了在400–500°C等温时效过程中引入的纳米析出物及其在后续层片化和回火过程中的演变情况，使用原子探针断层扫描（APT）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）进行了分析，以评估这些纳米析出物对层片化和回火过程的影响。此外，我们发现了一种“按需控制碳含量的机制”，即在淬火时将碳保留在固溶体中，而在层片化和回火过程中被M2C碳化物消耗掉，从而提高了强度-韧性平衡。这些分析为这些高Ni钢的微观结构演变提供了全面的了解。
章节摘录
实验方法
表1列出了所研究的10 wt.% Ni钢的化学成分。该钢通过真空感应熔炼（VIM）和传统的锭浇铸工艺制备。锭材在保护性氮气氛围下于1260°C下保温7小时，然后热轧成厚度约为2.5厘米的板材。
QLT处理包括三个步骤，见图1：(i) 淬火（Q步骤）：钢样品在850°C下完全奥氏体化1小时，随后进行两次亚临界退火步骤；
热力学计算
图2b展示了使用Thermo-Calc软件中的CALPHAD方法，并结合TCFE9 v9.3热力学数据库计算得到的Fe-Ni伪二元相图（成分比为0.11C-0.67Mn-1.03Mo-0.07V-0.73Cr）。图2c显示了不同碳化物相（M2C、M23C6、MC和M6C，其中M代表Mo、V、Cr、Fe）的平衡体积分数随温度（400–900°C）的变化情况。
400–500°C时的析出现象及硬化效果不佳的原因
在Q步骤后，纳米结构中观察到了碳富集区域（见图8），这种现象发生在碳化物形成元素（Mo、Cr、V）未发生分配的情况下。这种特征与马氏体早期分解过程一致，在替代元素扩散之前，过量的碳重新分布并促进了基于Fe的过渡碳化物（如ε-碳化物）的形成[62,[68], [69], [70], [71], [72], [73]]。同时，碳还富集在结构缺陷处
总结与结论
本研究深入分析了添加了Mo、Cr和V等碳化物形成元素的10 wt.% Ni钢的微观/纳米结构。在400–850°C温度范围内形成了碳化物纳米析出物，通过原子探针断层扫描对其进行了详细研究，并利用XRD、SEM、EBSD等技术确定了它们在奥氏体逆转变和保留过程中的作用以及对最终机械性能的影响。
CRediT作者贡献声明
Amir R. Farkoosh: 起草初稿、监督、资源调配、实验设计、资金筹措、数据分析、概念化。Chia-Pao Lee: 文稿修订与编辑、结果可视化、数据分析、验证。Dieter Isheim: 文稿修订与编辑、验证、资金筹措。Paul K. Lambert: 文稿修订与编辑、验证、资源调配。David N. Seidman: 文稿修订与编辑、验证、监督、资源调配、方法论设计、资金筹措。
Amir R. Farkoosh | Chia-Pao Lee | Dieter Isheim | Paul K. Lambert | David N. Seidman
