導(dǎo)讀:本文研究了Si改性?shī)W氏體不銹鋼在550^?C時(shí)效至3000 h時(shí)，鄰近δ-鐵素體的奧氏體分解行為及其對(duì)沖擊韌性的影響。熱時(shí)效過(guò)程中，鄰近δ-鐵素體的奧氏體分解順序如下:(1)發(fā)生γ→M₂₃C₆+α轉(zhuǎn)變。M₂₃C₆次生碳化物的優(yōu)先形成不僅將Si原子排斥到周?chē)膴W氏體中，而且產(chǎn)生了一個(gè)貧c區(qū)。(2) M₂₃C₆次生碳化物的生長(zhǎng)導(dǎo)致Ni和Si原子不斷被排斥在M₂₃C₆/γ和M₂₃C₆/α界面中，Ni和Si之間強(qiáng)烈的相互吸引作用為M₆C碳化物和g相的形核提供了化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。(3)隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，分解奧氏體邊界的低C、高Ni、高Si濃度會(huì)促進(jìn)M₆C碳化物的優(yōu)先析出，而M₂₃C₆碳化物的優(yōu)先析出。在沖擊變形過(guò)程中，次生M₂₃C₆與α-鐵素體之間由于應(yīng)變不相容而產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致沖擊韌性略有下降。

AISI 300系列奧氏體不銹鋼因其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的成形性，被廣泛用作輕水反應(yīng)堆和第四代核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。為了提高在液態(tài)金屬、超臨界水或熔鹽等惡劣環(huán)境下的耐腐蝕性，硅改性?shī)W氏體不銹鋼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，因?yàn)樘砑庸杩梢源龠M(jìn)氧化保護(hù)膜的形成。由于Si是一種強(qiáng)鐵素體穩(wěn)定元素，因此Si的加入會(huì)使奧氏體合金不穩(wěn)定，導(dǎo)致δ-鐵素體形成的高傾向性。在大型工業(yè)坯料中，由于凝固時(shí)間的延長(zhǎng)，δ-鐵素體的形成是不可避免的冷卻速度慢。研究發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)的凝固時(shí)間促進(jìn)了元素的偏析程度，較低的冷卻速度增加了凝固反應(yīng)的時(shí)間，導(dǎo)致180 mm厚AISI 316連鑄板坯中δ-鐵素體的數(shù)量明顯增加。此外，Si是負(fù)偏析元素，比Cr和Mo具有更高的偏析。

在奧氏體不銹鋼中加入Si不僅改變了δ-鐵素體的數(shù)量，而且改變了δ-鐵素體的化學(xué)組成。由于Si表現(xiàn)出比Cr更強(qiáng)的鐵氧體穩(wěn)定能力，現(xiàn)有的δ-鐵氧體分解機(jī)制可能不適用于富Si的δ-鐵氧體。迄今為止，Si的加入對(duì)δ-鐵氧體分解機(jī)理的影響尚不清楚。特別地，我們發(fā)現(xiàn)Si改性Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼在熱時(shí)效過(guò)程中不發(fā)生δ-鐵素體分解。相反，在δ-鐵素體附近發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的奧氏體分解機(jī)制，這與傳統(tǒng)的δ-鐵素體分解機(jī)制形成了顯著的對(duì)比。

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)陳勝虎團(tuán)隊(duì)制備了一種Si改性Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼，研究了鑄態(tài)下δ-鐵素體的形成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)含有δ-鐵素體的鑄態(tài)試樣進(jìn)行550℃的熱時(shí)效處理，以揭示δ-鐵素體附近奧氏體分解的機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響。同時(shí)，比較了Si改性鋼與304奧氏體不銹鋼在相同時(shí)效時(shí)間后的δ-鐵素體相關(guān)分解行為。

相關(guān)研究成果以“Austenite decomposition behavior adjacent to δ-ferrite in a Si-modified Fe-Cr-Ni austenitic stainless steel during thermal aging at 550 °C”發(fā)表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424003008?via%3Dihub

表1Si改性和304奧氏體不銹鋼wt.%的化學(xué)成分。

圖1(a, b)鑄態(tài)Si改性鋼的OM和(c) SEM圖像。

(a)偏振光下的低倍率和(b)高倍率彩色OM圖像。

圖2(a-d)低倍率和(e-h)高倍率鑄態(tài)Si改性鋼枝晶組織的EPMA顯微圖。

(a, e)背散射電子(BSE)圖像，(b-d, f-h) Cr, Ni和Si元素分布圖。

EPMA進(jìn)一步觀(guān)察了樹(shù)突核之間和樹(shù)突間的元素分布，如圖2所示。OM顯微圖(圖1b)和低倍率EPMA顯微圖(圖2a)的綜合結(jié)果顯示，Cr和Si向枝晶間區(qū)域偏析，而Ni富集于枝晶核心區(qū)域(圖2a-d)?？梢钥闯?，δ-鐵氧體形成于Cr濃度最高的區(qū)域。高倍EPMA顯微圖清楚地顯示，δ-鐵氧體在樹(shù)枝晶間區(qū)域形成(圖2e-h)。在δ鐵氧體中觀(guān)察到Ni的嚴(yán)重耗損和Si的明顯富集(圖2g和h)。此外，與δ鐵氧體內(nèi)部相比，δ鐵氧體周?chē)鷧^(qū)域觀(guān)察到明顯的Cr富集(圖2f)。

圖3鑄態(tài)試樣中δ-鐵素體的TEM圖像及化學(xué)分析。

(a)HAADF圖像和相應(yīng)的Cr和Ni組合的EDS元素映射，所示為δ-鐵氧體和初生碳化物M₂₃C₆對(duì)應(yīng)的選定電子衍射(SAED)圖。

(b)δ-鐵素體和奧氏體的EDS線(xiàn)掃描。

圖4(a, b) 304和(C -e)Si改性Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼在550^?C時(shí)效

(a, C)， (b, d) 500 h， (e) 3000 h后的SEM圖像。

圖5(a, b) Si改性鋼時(shí)效50 h后分解奧氏體的TEM亮場(chǎng)(BF)圖和(c-f)對(duì)應(yīng)的EDS元素圖。

(b)中的插圖顯示了相應(yīng)的殘余奧氏體的SAED模式。

圖5為Si改性鋼時(shí)效50 h后，鄰近δ-鐵素體的分解奧氏體TEM顯微組織。圖5(a)的亮場(chǎng)(BF)圖像顯示，δ-鐵氧體周?chē)匀淮嬖?/span>M23C6碳化物，δ-鐵氧體沒(méi)有發(fā)生分解。(a)偏振光下的低倍率和(b)高倍率彩色OM圖像。采用Cr、Fe、Si和Ni的元素映射，試圖利用元素劃分來(lái)區(qū)分新形成的產(chǎn)物(圖5b-f)。通過(guò)SAED分析(見(jiàn)圖5b)，可以確認(rèn)在分解區(qū)域中仍然存在黃色箭頭所示的殘余奧氏體。Cr和Fe的EDS元素映射也表明，殘余奧氏體和未分解奧氏體中存在相同的濃度水平。此外，在分解的奧氏體區(qū)域，富Cr相和富Fe相共存。Crrich相呈現(xiàn)出精細(xì)的棒狀形態(tài)，如圖5(c)中的紅色箭頭所示。

圖6時(shí)效50 h后Si改性鋼δ-鐵素體附近分解組織的TEM圖像

(a) BF圖像，(b) HAADF圖像，(c) Fe和Cr相對(duì)應(yīng)的EDS元素映射圖，

(d) α-鐵素體、次生M₂₃C₆碳化物和殘余奧氏體的EDS線(xiàn)掃描圖。

(a)和(b)分別顯示了α-鐵氧體和M₂₃C₆碳化物的SAED模式。藍(lán)色箭頭表示初級(jí)M₂₃C₆碳化物，紅色箭頭表示次生M₂₃C₆碳化物。

圖7時(shí)效50 h后Si改性鋼中分解奧氏體推進(jìn)邊界的TEM圖像和化學(xué)分析。

(a) BF圖像和相應(yīng)的Ni、Si映射，(b) α-鐵素體、M₂₃C₆次生碳化物和奧氏體的EDS線(xiàn)掃描。

圖8時(shí)效50 h后Si改性鋼中奧氏體、次生M₂₃C₆碳化物和α-鐵素體的APT分析。

(a) C、Si、Ni、Cr、Mn和Fe原子映射，

(b)選定元素在奧氏體、次生M₂₃C₆碳化物和α-鐵素體中的相應(yīng)1D濃度分布圖。

圖9 TEM圖像顯示了時(shí)效500 h后Si改性鋼中分解的奧氏體的宏觀(guān)形貌。

(a) BF圖像，(b-d)對(duì)應(yīng)的Cr, Ni, Fe和Si的EDS映射。

圖10時(shí)效500 h后Si改性鋼中δ-鐵素體附近分解組織的TEM圖像。

(a)Cr、Ni、Si和Mn的BF圖像和相應(yīng)的EDS元素映射圖(圖中為M₆C碳化物和α-鐵素體對(duì)應(yīng)的SAED圖)，

(b) G/α和G/ M₂₃C₆界面的高分辨率TEM圖像(圖中為G相、M₂₃C₆碳化物和α-鐵素體對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換圖)。紅色箭頭表示次生M₂₃C₆碳化物，黃色箭頭表示次生M₆C碳化物，粉色箭頭表示g相碳化物。

圖11時(shí)效500 h后Si改性鋼中分解奧氏體推進(jìn)前沿的TEM圖像。

(a) BF圖像和Cr、Ni組合元素映射圖，(b) M₂₃C₆/M₆C界面HRTEM圖像，

(c、d) (b)中M₂₃C₆和M6C次生碳化物的放大圖像和(e、f)相應(yīng)的FFT圖。

圖12時(shí)效500 h后Si改性鋼的M₆C/M₂₃C₆界面的APT分析。

(a)C、Si、Cr和Ni原子映射，(b) 等濃度面35% Cr和20% Ni。

(c) (b)中選定元素在M₆C/M₂₃C₆界面上對(duì)應(yīng)的1D濃度分布圖。

圖13(a)時(shí)效3000 h后Si改性鋼中分解奧氏體的STEM圖像和(b、c)對(duì)應(yīng)的EDS元素圖。

圖14時(shí)效3000小時(shí)后，Si改性鋼的α/γ界面上的APT分析。

(a) C、Si、Cr、Ni、Mn和Fe原子映射和(b) (a)中選定元素的相應(yīng)1D濃度分布圖。

圖15 Si改性?shī)W氏體不銹鋼550℃時(shí)效至500 h后的室溫沖擊能。

圖16(a、d)鑄態(tài)試樣和(b、e)時(shí)效50 h和(c、f)時(shí)效500 h試樣沖擊后的斷口表面。

(d、f)高倍掃描電鏡圖像。

圖17(a)鑄態(tài)試樣和(b)時(shí)效50 h、(c)時(shí)效500 h試樣斷口縱斷面的SEM圖像。

圖18(a-c)沖擊變形后的TKD結(jié)果，

(d)時(shí)效500 h后Si改性鋼對(duì)應(yīng)的Cr和Ni結(jié)合的STEM-EDS元素圖。

(a)波段對(duì)比(BC)圖，(b)相圖，(c)核平均取向偏差(KAM)圖。

圖19(a) δ/γ界面生成初生M₂₃C₆碳化物，(b, c) γ→M₂₃C₆+ α轉(zhuǎn)變，

(e, f)生成毗鄰次生M₂₃C₆碳化物的M₆C碳化物和g相，

(d)生成孤立M₆C碳化物和g相的奧氏體分解機(jī)理示意圖。

(a, b, d, e)宏觀(guān)視圖和(c, f)對(duì)應(yīng)的(b, e)放大圖像。

圖20基于理論計(jì)算的Si含量對(duì)Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼中C擴(kuò)散率的影響。

圖21(a) APT樣品制備位置的SEM圖像和(b-d)時(shí)效50 h后樣品中δ-鐵素體附近奧氏體的APT分析。

(b) C原子映射和2% C等濃度表面，

(C)等濃度表面為23 %Cr。(d) (c)中二次M₂₃C₆碳化物與奧氏體界面的接近直方圖。

圖22利用thermocalc軟件和tcfe8數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)Si改性?shī)W氏體不銹鋼的相變進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。(a) 550℃時(shí)M₂₃C₆碳化物的數(shù)量與C含量(基于Fe-x C-17 Cr-7 Ni-5 Si-0.65 Mn (at.%))，

(b) Ni含量(基于Fe-0.5 C-17 Cr-x Ni-5 Si-0.65 Mn (at.%))在δ-鐵素體附近的奧氏體中。