導讀：退火硬化現象普遍存在于單相固溶體中，包括過渡金屬元素組成的面心立方(FCC)合金。然而，由于缺乏直接的微觀組織證據，此現象的機理仍不明確。在該研究中，作者采用多尺度的原位加熱表征技術，深入研究了冷變形MP35N (Co₃₅Ni₃₅Cr₂₄Mo₆, at.%)合金在不同溫度退火后的微觀結構演變。研究表明，在550°C退火前后，合金的晶體結構、晶界特征和變形組織均沒有明顯變化。然而，透射電鏡原位加熱實驗和原子分辨率EDS分析結果表明，550°C退火促使了Mo元素向晶界處發生了納米級偏聚，這一過程伴隨著晶界能降低。偏聚的Mo元素與相鄰原子發生強烈的電荷交換，提高了晶界的會聚能，增加了晶界附近應變場，從而提高了位錯運動的阻力。因此，晶界強化效應得到增強，使得有Mo偏聚的細晶樣品(3.2μm)表現出顯著的退火硬化現象，而在未發生Mo偏聚的粗晶樣品(202.2μm)中則未觀察到硬化現象。此外，作者發現更高溫度退火會誘發調幅分解促使FCC相到μ相的界面相變，并伴隨著明顯的位錯回復，這反而減弱了退火硬化效應。本研究為深入理解退火硬化現象提供了新的視角，并為高性能結構合金的后續開發中優化冷加工和熱處理工藝提供了重要的理論指導。

鈷鎳基合金具有優異的強塑性、耐高溫和抗腐蝕性，在航空航天、海洋工程和油氣鉆探等領域具有廣泛的應用。鈷鎳基合金優異的力學性能主要源于其優異的退火硬化效應，即冷變形的鈷鎳基合金經過中溫退火后強度可進一步提升300-500MPa。然而，其退火硬化機制仍存在爭議，主要體現在以下三個方面：(1)有人提出退火過程中Mo偏聚到了HCP相中形成了Co?Mo第二相，導致了硬化。然而，后來的研究表明冷變形產生的片層組織是變形孿晶而非HCP相。(2)后續有人提出溶質原子偏聚到了層錯處，產生了鈴木硬化，從而導致了合金強度的提升。然而，由于以前譜學分析技術的空間分辨率十分有限，目前仍缺乏層錯處結構和成分的原子尺度證據。(3)第一性原理計算表明溶質原子與晶界的相互作用能顯著高于與層錯的相互作用能，這表明溶質原子更傾向于晶界偏聚，因此需要進一步研究來確定溶質原子的偏聚位置。

針對以上問題，作者以典型的MP35N(Co??Ni??Cr??Mo?, at.%)鈷鎳基合金為研究對象，采用多尺度的原位表征手段，結合球差校正透射電鏡和原子分辨率的能譜分析技術等，對冷變形MP35N合金在退火過程中的微觀結構演變進行了系統的研究。

                 圖1 MP35N的初始結構

(a) XRD，(b) EBSD，(c) ADF-STEM圖像和對應EDS面掃，(d) HAADF-STEM圖和對應EDS面掃圖

         圖2 冷變形MP35N合金在不同溫度退火后的力學性能

                                     (a) 維氏硬度，(b) 工程應力應變曲線

      圖3 冷變形MP35N的微觀組織在透射電鏡原為加熱時的演變

        (a) 微觀組織隨加熱溫度的演變，(b) 晶界附近的元素分布加熱溫度的演變

    圖4 冷變形MP35N合金在550°C退火前后晶界附近元素分布的變化

(a) 退火后MP35N合金的HAADF-STEM圖和對應EDS面掃圖，(b) 退火后MP35N合金的HAADF-STEM圖和對應EDS面掃圖

研究發現，在550°C退火前后，合金的晶體結構、晶界特征和位錯結構幾乎沒有變化，但在晶界處觀察到有Mo元素偏聚。晶界偏聚的Mo原子與相鄰原子進行了強烈的電荷交換，增強了晶界的內聚能，并通過增加晶界附近的應變場提高了位錯運動的阻力。因此，晶界強化效應得到增強，導致具有Mo偏聚的細晶樣品(3.2 μm)中產生顯著的退火強化，而在沒有Mo偏聚的粗晶樣品(202.2 μm)中未觀察到硬化現象。此外，還發現較高溫度退火會引發從FCC相到富鉬μ相的界面相變，同時伴隨著顯著的位錯回復，這反而削弱了退火硬化效應。該研究不僅為退火硬化現象提供了更深入的見解，而且對于優化高性能結構材料的冷加工和熱處理工藝具有重要的指導意義，有望為航空緊固件用高溫合金性能提升和工藝改進方面帶來新的思路和方法。

湖南大學材料科學與工程學院為論文第一完成單位，助理教授程清為論文第一作者，清華大學譚福盛博士為共同一作，徐先東教授、瑞典皇家理工學院的Xiaoqing Li和蘇州材料實驗室的甘斌教授為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、中南大學粉末冶金國家重點實驗室開放基金、博士后面上和國家資助博士后研究人員計劃等項目的支持。