沉淀硬化通常用于高強度和高溫合金。例如，金屬碳化物和硼化物被認為是典型的硬相，對高溫合金的整體強度有顯著貢獻。由于碳和硼通常被添加到高溫合金中以提高鑄造性，減少晶粒缺陷和加強晶界，碳化物和硼化物總是在高溫合金中沉淀，并且有利于蠕變性能。然而，這些第二相和基體之間的界面通常被認為是高溫合金中的蠕變和疲勞裂紋成核位點。 此外，在許多長期熱暴露的鑄造高溫合金中也觀察到金屬基體內的碳化物分解。 有研究者認為MC分解可能導致熱暴露后微裂紋的萌生和擴展。相反，根據He等人的觀察，斷言MC變性可能有助于高溫合金的應力斷裂性能。沖突可能歸結為微觀層面信息的缺乏。然而，關于碳化物變形和退化的詳細原子實驗結果仍然相當有限。因此，我們在這里的目標是更好地了解碳化物在高溫蠕變下的分解行為。

盡管幾十年來一直在研究高溫合金中MC碳化物的分解，但其原子機制仍然知之甚少。通常認為化學分解始于MC碳化物和基體的界面，經典分解反應為：MC+γ→M 6C/M23C6+γ′/η。 高溫合金中MC的其他不同變性反應也報道了不同的合金成分，特別是取決于合金的Nb/Ti和（W + Mo）/Cr比率。退化產物從M₆C 到 M 共存₆C 和 M₂₃C₆最后到M₂₃C₆，合金的（W + Mo）/Cr比從0.55降低到0.37，最后降低到0.22。然而，此后大多數MC分解研究都集中在MC在熱暴露過程中的微觀結構演變上，目前對高空間分辨率下初級MC分解的認識有限。需要有關微觀結構特征的原子尺度信息，例如分解位點和位錯機制，以了解碳化物在高溫下蠕變變形過程中的分解行為。

另一方面，塑性變形可能發生在復雜的化合物中。例如，納米級金屬間鋁2Cu可以與延展性Al基體塑性共變形，從而在Al-Cu合金中提供高強度和高應變硬化。M₇C₃高鉻鑄鐵中的硬質合金在壓縮測試中也會表現出塑性和加工硬化。鋼中的滲碳體顆粒可以通過廣泛的位錯滑動切割成細化塊，從而溶解滲碳體。然而，高溫合金中碳化物在蠕變下的變形行為尚未得到探索。因此，了解高空間分辨率下MC分解的原子機理，特別是位錯如何輔助，應為提高高溫合金甚至其他工程合金的性能提供指導。

‍在本研究中，中國科學院金屬研究所馬秀良團隊對此進行了研究，首次利用高空間分辨技術對一種多晶ni基高溫合金蠕變斷口附近的MC碳化物的成分分布、分解產物的微觀結構特征和晶體缺陷進行了表征。結合TEM觀測和原子模擬，提出了一種位錯輔助MC分解成M₂₃C₆的機制。最后，討論了觀察到的碳化物演化對蠕變性能的影響。

相關研究成果以題為Dislocation climbing dominated decomposition and fracture of carbides in a Ni-based superalloy發表在Acta Materialia上。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118669

通常，HAADF圖像中的對比度不均勻性表明成分變化。為了顯示MC碳化物內部的成分分布，對包括不均勻區域的MC碳化物進行了EDS微量分析，如圖2所示。圖2（b-h）中的EDS圖分別由（b）C-K，（c）Ti-K，（d）V-K，（e）Cr-K，（f）Co-K，（g）Ni-K，（h）Mo-L成像。與MC碳化物相比，不均勻區域的Cr含量明顯豐富，而C，Ti，V和Mo缺乏。如EDS結果（圖1a）所示，Cr和Ni含量很小，Co在MC碳化物中主要游離，不均勻區域中的富集元素應通過擴散來自基體。同樣，較低的C含量表明碳沿著缺陷從MC擴散到基體中，而Cr則相反。此外，與MC碳化物相比，具有更高Co和Ni的納米沉淀物可以在不均勻區域找到。這意味著在高溫蠕變期間分解發生在MC硬質合金內部。

圖2 MC碳化物中的元素不均勻分布。（a） HAADF圖像顯示MC碳化物的不均勻區域。在MC硬質合金上執行的EDS圖，包括以（a）框框的矩形的非均勻區域：（b）C-K，（c）Ti-K，（d）V-K，（e）Cr-K，（f）Co-K，（g）Ni-K，（h）Mo-L。

圖3（a）中的明場（BF）圖像顯示了圖1（b）中MC碳化物的微觀結構特征。平面或線缺陷通常在BF圖像中顯示為深色條紋，表明MC碳化物中存在大密度的晶體缺陷。圖3（b）中標記的紅色箭頭顯示了沿SAED圖樣觀察時的反射分裂[010]司儀.這表明晶格一定已經旋轉，這意味著MC碳化物經歷了變形和微觀結構轉變。碳化物通常被認為難以適應基體的大變形，因此在高溫蠕變過程中充當應力集中點誘導裂紋成核。然而，在圖3（a）中觀察到的高密度缺陷和圖3（b）中的晶格旋轉表明MC可能在高溫蠕變過程中發生塑性變形。

圖3（a） 明場圖像顯示晶粒內部的MC碳化物，以及MC碳化物中存在的缺陷。（b，e，f）[010]司儀, [110]司儀和 [111]司儀分別。（c） 示意圖對應于（b），其中紅色和藍色斑點表示來自MC和M的反射23C6分別。（d） 顯示M降水的ADF圖像23C6沿著MC內部的缺陷沉淀。

顯示M之間的界面特性23C6和MC，獲取原子分辨率的HAADF-STEM圖像（如圖4所示）。在圖4（a）中，沉淀物顯示出層狀特征，并且M之間的連接界面23C6MC由（001）平面組成。此外，圖4（b）確定了界面由{111}平面組成，如沉淀的M23C6是粒子。實驗觀察表明，M之間的大多數界面23C6MC碳化物由{111}平面組成，這可能是由于與{100}平面相比，其界面能較低。因為M的晶格常數23C6 (一個M23C6）約為MC（a司儀），兩個互穿晶格的最佳匹配位置（M23C6和 MC） 顯示周期性 沿[110]MC方向L<110>= 5a<110>MC = 2a<110>M23C6和L<112>= 2.5a<112>MC = a<112>M23C6, L<100>= 5a<100>MC = 2a<100>M23C6和L<001>= 5a<001>MC = 2a<001>M23C6，分別如圖4（c）和（d）所示。黑色單元格勾勒出相應的二色圖案（CDP），晶格常數是MC（或雙M）的五倍23C6）的應變可以忽略不計，紅色實心細胞表示原始晶胞。界面中最差擬合的區域可能代表可能的界面位錯。因此，M之間的接口23C6和 MC 不應該是相干的，盡管它們在立方體 OR 上有一個立方體。

圖4 M23C6/MC界面的原子尺度表征。沿(a) [010]MC和(b) [110]MC區域軸的高分辨率HAADF圖像顯示了M23C6和MC碳化物之間的不同界面結構。(c)和(d)分別表示M23C6(藍點)和MC(黃點)沿[010]MC和[110]MC帶軸的重合點(僅考慮金屬原子位置)。

圖5 MC碳化物中缺陷的形態。蠕變變形后高溫合金基體中MC碳化物缺陷的亮場圖像(a) 200， (b) 20， (c) 002， (d)， (e) 20和(f) 1。光束方向為:(a, b, c) [010]MC和(d, e, f) [110]MC。

圖6 沿著[110]拍攝的高分辨率HAADF圖像顯示了蠕變試樣中MC內部缺陷區域的結構。給出了兩個典型的缺陷區域（a-b）和相關的局部放大圖像（c-d）。

圖7（a） 沿樣品法線方向的反極圖 （IPF） 圖和 （b） 鑄造合金的 MC 和基體的極圖。（c）和（d）分別顯示MC和蠕變合金基體的IPF圖和極圖。X0 和 Z0 分別表示樣品的加載方向和法線方向。

圖8 鑄態試樣的MC與基體之間的界面沿[100]基體帶軸觀察。(a)和(b)高分辨率圖像分別顯示一個平坦的(001)MC-(111)矩陣界面和一個不直的界面。(b)中插入的快速傅里葉變換(FFT)模式表示(001)MC//(111)矩陣。(c)和(d)顯示了框架區域的MC和快速傅里葉變換(iFFT)反模式的缺陷。

總而言之，盡管到目前為止人們對高溫合金中的碳化物分解給予了很多關注，但其原子尺度信息是新的。通過詳細的透射電鏡分析，首次以高空間分辨率研究了MC碳化物在蠕變后多晶高溫合金的內部分解行為。過渡金屬元素不均勻分布及退化產物M23C6已確認。其機制可以通過位錯的爬升導致Cr，Co，Ni沿位錯路徑偏析來解釋，從而促進M的沉淀23C6在MC內部。此外，還證明了碳化物表現出塑性變形性以釋放界面上的局部應力。值得注意的是，M的脫粘23C6/MC 接口將使蠕變試樣中出現裂紋。因此，MC碳化物的內部分解可能導致內部微裂紋的擴展。為了改善高溫合金的蠕變性能，應仔細控制碳化物的變形和分解。