导读：通过差别相身分的组合以实现优秀的强度-延展性协同作用，已成为超高强度钢微布局设计中的紧张计谋。本文展现了超细晶双相中锰钢中相界偏析引起的强化作用。通过调解临界退火后的冷却条件，可以操纵铁素体-奥氏体相界处的碳偏析。这种相界偏析导致屈服强度进步了100-120 MPa，同时促进了不一连屈服效应。在相界处的急剧的碳偏析拦阻了界面位错的移动，是以增添了激活这种位错形核历程并激发塑性变形所需的应力。相界处碳的富集可以加强位错移动的能垒，这为塑性流淌的倒塌和是以导致的的不一连屈服提供了有利条件。这些发觉扩展了当前对中锰钢屈服举动的了解，更紧张的是，分析了怎样利用相界偏析来改进多相金属质料的机器性能。
先辈的高强度钢（AHSS）的开辟和应用在汽车产业中引起了人们的极大兴趣，其目标是实验减轻车身的重量，从而低落燃油经济性并进步车辆宁静性。已往的几十年已经提出了很多AHSS，得到高强度（约600 MPa以上的抗拉强度）并同时确保精良的可成型性。因为经济上的限定和更好的接纳使用，最新合金设计理念应幸免利用昂贵的合金元素或高合金含量。取而代之的因此低身分合金为目的，并利用热机器处置惩罚来生产具有均衡相稳健性和高界面密度的多相微布局。这种要领可以在钢中使用种种可及的相身分（比方，铁素体，奥氏体，马氏体和贝氏体）来实现优秀的强度-延展性协同作用。因为存在多个相，以是大量的相界存在这种微观布局中。这些异质界面的界面布局和化学性子差别于随机的高角度晶界。与相界有关的另一个特性是，因为相邻相之间通常具有很高的机器比拟度，是以这些界面处的应力/应变会合得以加强，这些身分已被用来解说相界对多相AHSS力学举动的影响，比方屈服开始和屈服方法，耐伤害以及氢的俘获和脆化。
比年来，锰含量为3–12 wt.％的中锰钢因为具有杰出的机器性能（拉伸强度和总延伸率高达70 GPa％的乘积）引起了遍及的存眷。作为第三代AHSS的有前程的候选质料，中猛钢通常通过临界退火举行处置惩罚，以孕育发生铁素体-奥氏体两相构造。它们通常具有超细晶尺寸（范畴从亚微米级到几微米），这大概是因为在临界退火时期奥氏体从微小的马氏体基体返还以及相干迟钝的锰的配分所致。这种微观布局导致大面积的铁素体-奥氏体相界。在很多情形下，这种范例的界面乃至成为中锰钢力学举动中最重要的，也是最相干的塑性缺陷范例。作者先前对临界退火的中锰钢（Fe-10Mn-3Al-1Si-0.2C，以重量％计）的研究中，观看到位错从铁素体-奥氏体相界发出的显着迹象在钢的早期屈服阶段，大的相界地区可以提供高密度的位错源，从而增添了移动位错的快速生殖。但是，这些异质界面的特性（比方局部化学身分）是否也会影响中锰钢的屈服举动，这仍旧是一个悬而未决的题目。
基于此，亚琛产业大学Yan Ma等人研究了相界偏析对超细晶双相中锰钢屈服举动的影响。通过调解临界退火后的冷却条件，操纵铁素体-奥氏体相界的碳身分，利用多标准微观布局和力学表征计谋，阐发了其对两个阶段塑性变形的开始以及由此孕育发生的宏观屈服举动（包罗屈服强度和一连或不一连屈服的广泛性）的影响。商议了在早期屈服阶段相界处碳偏析的潜伏机理及其对相干位错移动的影响。相干研究效果以题“Phase boundary segregation-induced strengthening and discontinuous yielding in ultrafine-grained duplex medium-Mn steels”颁发在金属顶刊《Acta materialia》上。
论文链接：http://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.007
在临界退火之后，差别的冷却条件（即水淬和空冷）会猛烈影响铁素体-奥氏体相界处的碳偏析举动，水淬后的样品未表现出碳偏析的迹象，而空冷导致相界限处显现显着的碳尖峰，其值（〜1.48 at. ％）比标称碳含量（0.29）高约五倍。在差别的冷却条件下，包罗相身分，分数，晶粒尺寸和形态在内的其他微观布局特性连结稳定。
图1.在厚度为1.25 mm的拉伸试样上举行的临界退火和冷却条件的温度曲线。（WQ代表水淬，AC代表空冷，RT代表室温）
原位同步加快器高能X射线衍射和非原位电子通道比拟成像试验的联合评释，铁素体-奥氏体相界处的碳偏析拦阻了这些界面处的位错移动，从而导致较高的应力程度用于激活位错成核并在两相中激发塑性流淌。是以，两相的塑性变形越发困难，导致在空冷样品中得到更高的屈服强度。观看还评释，在相界处碳的存在加强了位错成核的能垒。这可认为塑性流淌雪崩提供更有利的条件，从而促进不一连屈服。
图2.（a）原位同步加快器高能X射线衍射试验装置的表示图（b）在水淬（WQ）试样加载时期，在-5°至5°的方位角上积分的强度的等高线图；（c）（b）中的峰γ111和α110的放大等高线图;（d）在（b）中放大表面表面γ200；（e）利用Rietveld精修要领，在散布360°方位角之前，依据散射矢量Q和相应的拟合峰（实线），加载WQ样品的积分衍射表面（空心点）。（f）利用单峰拟正当在-5°至5°的方位角上的积分衍射表面（空心点）和相应的拟合峰（实线）
在空冷样品中，相界处碳的富集是因为冷却速率较慢，尤其是在低温（低于400˚C）下。这为碳扩散到界面上提供了充足的时间，这大概是因为必要淘汰界面能，尤其是碳在铁素体-奥氏体相界上的安排以连结局部均衡的驱动。对付后一种情形，奥氏体中有限的碳扩散率按捺了碳扩散出界面地区，从而将其富集限定在最靠近的陷阱，即相界处。
图3.（a）水淬（WQ）样品和（b）空冷（AC）样品的电子背散射衍射（EBSD）相图（ND代表法线偏向，RD代表轧制偏向，KS或Kurdjumov-Sachs定向干系）；（c）由EBSD丈量的两个试样的均匀晶粒尺寸；（d）WQ样品和（e）AC样品的同步加快器高能X射线衍射（HEXRD）曲线；（f）由EBSD和HEXRD确定的奥氏体体积分数；（g）通过HEXRD丈量的奥氏体和铁素体的晶格参数。（HEXRD效果是对三个丈量值的均匀值）
图4.（a）水淬（WQ）样品和（b）空冷（AC）样品中的碳和锰的三维原子探针层析成像图（相界标为11 at.％Mn等浓度外貌）;（c）和（e）分别取自（a）和（b）中标志的选定感兴趣地区（ROI）的铁素体-奥氏体相界限周边的碳，锰和铝原子的漫衍（注（c）和（e）中差别的球体巨细是因为差别的图像放大率所致，如比例尺所示。（d）和（f）分别是（a）和（b）中ROI中碳的相应二维浓度图
图5.（a）水淬（WQ）样品和（b）风冷（AC）样品中相对付相界位置的碳浓度曲线
碳的相界偏析导致屈服强度大幅度增添100-120 MPa，同时促进了不一连屈服。格外是低碳中锰钢（Fe-11.7Mn-2.9Al-0.064C，以重量％计）中的偏析将其屈屈从一连举动变化为不一连模式。
图6.（a）水冷（WQ）和风冷（AC）样品的工程应力-应变曲线（箭头表现屈服强度增添）；（b）在屈服阶段，局部应变漫衍笼罩了两个试样的整个标距截面
图7.（a）水淬（WQ）和风冷（AC）样品的工程应力-应变曲线（从原位同步加快器高能X射线衍射试验中利用的应力装置得到；（b）（a）中感兴趣地区的放大地区，表现了工程应力-应变曲线的斜率改变（箭头表现曲线偏离线性的出发点）；（c）变化的奥氏体数目与所施加的工程应变的函数干系（箭头表现奥氏体开始产生α'-马氏体相变）
图8.（a）水淬（WQ）样品和（c）空冷（AC）样品的各个晶体反射面的晶格应变与所施加工程应变的函数。（b）和（d）分别是WQ和AC样品中各个相的加权均匀晶格应变
图9.通过相干的电子反向散射衍射和电子通道比拟成像研究了水冷（WQ）试样在拉伸载荷下的微观布局演化：（a）和（d）变形前的微观布局；（b）和（e）在550MPa拉伸应力下的显微构造；（c）和（f）（b）和（e）中相应的放大地区。（PM代表相图，KAM代表核均匀取向不良；（c）和（f）中的箭头表现在铁素体-奥氏体相界处的几个位错成核位点。
图10.空冷（AC）试样在拉伸载荷下的微观布局演化：（a）和（f）选定地区的相图；（b）和（g）变形前的微观布局；（c）和（h）在550 MPa的拉伸应力下的显微构造；（d）和（i）在650MPa拉伸应力下的显微构造；（e）和（j）（d）和（i）中相应的放大地区。（（e）和（j）中的箭头表现在铁素体-奥氏体相界处的几个位错成核位点。）
图11.Fe-11.7Mn-2.9Al-0.064C钢中（a）γ-奥氏体和（b）α-铁素体中碳的均衡浓度随温度从700°C起的改变可通过Thermo-Calc软件利用TCFE9数据库盘算得到的最低温度为0°C
这项研究除增添了在中锰钢中不一连屈服举动的了解之外，在相界处的位错成核及其进一步的增殖，相界自己的化学性子在合金中也起着至关紧张的作用，导致产生不一连屈服。
图12.高碳含量的中锰钢（Fe-10.4Mn-2.9Al-0.185C，以重量％计）在750℃下举行冷轧和临界退火后的准静态拉伸性能5分钟，然落伍行水淬（WQ）或空冷（AC）
综述所述，本文通过展示怎样使用和利用相界偏析进步机器性能，这些发觉也为将来多相金属质料的微观布局设计谋略提供了启发。通过这种安排效应对异质界面举行化学处置惩罚的一个特别特性是，它不受吉布斯吸附极限的限定（比方对付经典晶界分散的情形），但可以在很宽的范畴内举行调解配分状态，这取决于相邻相的扩散系数，热处置惩罚和冷却条件。（文：梦程）
