導(dǎo)讀：控制不連續(xù)和連續(xù)析出對于調(diào)整NiAl強化鋼的組織和力學(xué)性能至關(guān)重要。本文證明了銅不僅有效促進了納米級連續(xù)NiAl沉淀，而且還抑制了粗大的NiAl在晶界處的不連續(xù)析出，成功開發(fā)出具有高屈服強度（1400 MPa）和良好延展性（10％）的新型NiAl強化鋼。

高強度低碳鋼在汽車，造船和能源工業(yè)等行業(yè)具有重要工程應(yīng)用。金屬納米粒子的均勻沉淀是強化低碳鋼的最有效方法之一，可開發(fā)具有高強度，高延展性和可焊性的高級鋼。在用于強化沉淀的各種潛在沉淀物中，NiAl是最有效的相之一。NiAl的B2有序結(jié)構(gòu)是體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的衍生，其晶格參數(shù)（？0.2886 nm）接近bcc-Fe（？0.2866 nm）。這樣，NiAl沉淀物與bcc-Fe表現(xiàn)出很高的共格性，并且可以以足夠細的尺度（直徑小于5 nm）沉淀，從而提供高的強化效果。NiAl強化鋼的機械性能高度依賴于析出物的微觀結(jié)構(gòu)，包括NiAl析出物的大小、數(shù)量密度、形態(tài)和空間分布。為了獲得最佳的機械性能，必須獲得有關(guān)NiAl強化鋼的析出機理的詳細知識。

鋼中的NiAl析出有兩種競爭模式，即連續(xù)析出（CP）和不連續(xù)析出（DP）。CP是指球狀的NiAl納米顆粒的均勻沉淀，這是與在該基質(zhì)組合物連續(xù)變化相關(guān)。相比之下，DP在晶界處開始，并通過移動的晶界后面的交替的NiAl沉淀物板和溶質(zhì)貧化基體的胞狀生長進行，導(dǎo)致晶粒邊界附近的粗大NiAl棒析出不均勻。研究表明，CP和DP在NiAl強化鋼中經(jīng)常同時發(fā)生。從強化的角度來看，CP納米粒子主要負責(zé)沉淀強化，而DP棒由于其粗糙和分布不均勻而顯示出有限的強化能力。此外，DP惡化晶粒邊界的強度，這會導(dǎo)致較差的韌性和抗疲勞性。因此，最小化或完全抑制DP反應(yīng)對于優(yōu)化NiAl強化鋼的機械性能至關(guān)重要。可以通過改變沉淀熱力學(xué)或改變沉淀動力學(xué)從根本上改變沉淀反應(yīng)。雖然大多數(shù)研究都集中在Cu對連續(xù)NiAl沉淀的影響上，但很少進行關(guān)于Cu對不連續(xù)NiAl沉淀的影響的研究。因此，抑制NiAl強化鋼晶界處DP的策略和基本機理仍然知之甚少。

基于此，香港理工大學(xué)焦增寶團隊以NiAl納米析出強化鋼為模型，探索了高強鋼的晶界不連續(xù)析出機制及調(diào)控機理，發(fā)現(xiàn)Cu不僅有效地促進了晶粒內(nèi)部連續(xù)NiAl納米顆粒的形成，而且還抑制了不連續(xù)NiAl棒沿晶界的析出，從而導(dǎo)致了新型NiAl強化鋼的發(fā)展。開發(fā)出具有高屈服強度（1400 MPa）和良好延展性（10％）的新型NiAl增強鋼。相關(guān)研究成果以題“Mechanisms for suppressing discontinuous precipitation and improving mechanical properties of NiAl-strengthened steels through nanoscale Cu partitioning”發(fā)表在金屬頂刊《Acta Materialia》上。

論文鏈接：DOI: 10.1016/j.actamat.2020.116561

作者證明了Cu有效地抑制了沿晶界的粗大不連續(xù)NiAl析出并促進了晶粒內(nèi)部的納米級連續(xù)NiAl析出，從而使鐵素體Fe-Cu-Ni-Al鋼的強化增強了兩倍。鐵素體鋼中的NiAl沉淀以兩種模式發(fā)生，即形成納米級CP顆粒和粗尺寸DP棒。在0Cu鋼中，顯微組織由沿晶粒邊界的粗大尺寸DP棒和晶粒內(nèi)部的納米級CP顆粒組成。使用適量的Cu（1.5 wt. ％），可以完全抑制粗大尺寸DP棒的形成，從而導(dǎo)致NiAl納米顆粒在整個基體中均勻沉淀。

圖1。0Cu鋼在不同條件下的微觀結(jié)構(gòu)：（a）淬火，（b）550°C時7.5分鐘，（c）550°C時30分鐘，（d）550°C時2 h。（e）0h鋼在2 h時效條件下的SAED圖案和（f）DP區(qū)的DF-TEM圖像。

圖2。APT原子圖，0％鋼中DP區(qū)域的25％（Ni + Al）等濃度表面和DP區(qū)域的接近直方圖：（a）在550°C時7.5分鐘，（b）在550°C時30分鐘，以及（c）2 h在550°C下

DP反應(yīng)的抑制主要歸因于通過Cu分配給NiAl沉淀物而加速CP反應(yīng)，這通過快速降低過飽和度而降低了DP生長的化學(xué)驅(qū)動力。第一性原理計算表明，Cu增強了Ni-Al對的相互作用并促進了NiAl的析出，從而加速了NiAl納米粒子的析出。

圖3。含銅鋼在不同條件下的顯微組織：（a）0.5Cu，在550°C下7.5分鐘；（b）0.5Cu，在550°C下30分鐘；（c）0.5Cu，在550°C下2小時， （d）1Cu，550°C時7.5分鐘，（e）1Cu，550°C時30分鐘，（f）1Cu，550°C時2 h，（g）1.5Cu，550°C時7.5分鐘，（ h）1.5Cu，在550°C下30分鐘，和（i）1.5Cu，在550°C下2 h。

圖4。0Cu，0.5Cu，1Cu和1.5Cu鋼的DP區(qū)域的面積分數(shù)與時效時間的關(guān)系

APT顯示，在時效早期，Cu偏析在Fe-Cu-Ni-Al鋼的晶界處，這降低了晶界能。根據(jù)Fournelle和Clark的機理，Cu引起的晶界能的降低很可能會降低DP的成核速率，從而有助于抑制含Cu鋼中的DP反應(yīng)。這是銅分配對抑制NiAl強化鋼的DP反應(yīng)的較小影響。

圖5。0Cu和1.5Cu鋼在不同時效條件下的CP納米顆粒：（a）0Cu，在550°C下7.5分鐘，（b）0Cu，在550°C下30分鐘，（c）0Cu，在550°C下2 h，（ d）1.5Cu，在550°C下7.5分鐘，（e）1.5Cu，在550°C下30分鐘，（f）1.5Cu，在550°C下2小時。

圖6。（a）0Cu和1.5Cu鋼的CP納米顆粒的半徑和（b）時效時間的函數(shù)。

圖7。0Cu和1.5Cu鋼在不同時效條件下的CP納米顆粒的接近度直方圖：（a）0Cu，在550°C下7.5分鐘，（b）1.5Cu，在550°C下7.5分鐘，（c）0Cu，在30°C下30分鐘550°C，（d）1.5Cu，在550°C下30分鐘，（e）0Cu，在550°C下2 h，以及（f）1.5Cu，在550°C下2 h。插圖顯示了具有代表性的納米粒子的1 nm厚的原子圖，該圖顯示了Ni（綠色），Al（青色）和Cu（紅色）原子的分布。

圖8。1.5Cu鋼在不同條件下的晶界顯微組織：（a）在1分鐘時效條件下C，Cu，Ni和Al的原子圖，以及（b）C，Cu，Ni和Al的原子圖， 25 h（Ni + Al）等濃度表面，在2 h時效條件下晶界沉淀物的接近直方圖。

銅的添加大大增強了鐵素體鋼中NiAl析出物的強化響應(yīng)，從而導(dǎo)致了新的NiAl強化鋼的開發(fā)，該鋼具有高屈服強度（1400 MPa）和良好的延展性（10％）的良好組合。強化模型表明，CP納米顆粒比NiAl強化鋼中的粗大尺寸DP棒表現(xiàn)出更有效的強化效果。

圖9。0Cu和1.5Cu鋼的機械性能：（a）在550°C時效時效的函數(shù)，其維氏顯微硬度，以及（b）在淬火和2 h時效時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線條件。

圖10。無銅和含銅超級電池中Ni-Al對形成能的第一性原理計算。六個超級電池的組成為Fe 126 Ni 1 Al 1，F(xiàn)e 125 Ni 1 Al 1 Cu 1，F(xiàn)e 124 Ni 2 Al 2，F(xiàn)e 123 Ni 1 Al 1 Cu 1，F(xiàn)e 122 Ni 3 Al 3和Fe 121 Ni 3 Al 3 Cu 1。

圖11 含或不含銅的NiAl強化鋼的析出機理示意圖。