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德國馬普所《Scripta Mater》：中錳鋼臨界退火的奧氏體長大機制！

2022-03-22 11:28:46 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

眾所周知，材料中晶界（GB）和位錯可以作為快速擴散通道。這些通道對中錳鋼（3-12wt.% Mn）臨界退火期間奧氏體的生長具有直接影響。最近的研究揭示了錳向鐵素體GBs的偏析是退火過程中奧氏體形核的重要途徑。奧氏體生長是通過奧氏體鐵素體相界向鐵素體移動來實現的。一般情況下，奧氏體在相界處的平衡錳濃度大于鐵素體。奧氏體生長的動力學是由錳在鐵素體中的擴散速率決定的，由于臨界退火溫度通常≤0.5Tmelt，在bcc鐵素體中，體擴散也非常緩慢，推斷GB和位錯在溶質遷移中發揮關鍵作用。然而，這些快速通道在奧氏體生長中的作用機制還不夠清晰。

德國馬克斯-普朗克研究所的研究人員探討了成分為Fe-10Mn-0.05C-1.5Al（wt.%）中錳鋼中奧氏體的生長機制，明確了Mn在鋼中的擴散作用與擴散機制。相關論文以題為“Mechanisms of austenite growth during intercritical annealing inmedium manganese steels”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114228

研究發現靠近相界處，鐵素體晶粒α3中錳的濃度約為10%，但α2只有約4%。錳在靠近GB和相界的鐵素體α2區域中濃度逐漸衰竭，而在遠離GB和相界的α2晶粒區域，錳含量達到了與鐵素體晶粒α3相似的水平。鐵素體α2中相界處觀察到的錳濃度（約4%）與根據熱力學計算估計的450℃時平衡錳濃度相匹配。奧氏體優先向α2鐵素體晶粒生長，而奧氏體向α3鐵素體晶粒中沒有明顯的生長。這可以解釋為鐵素體（α3）-奧氏體（γ）界面共格而鐵素體（α2）-奧氏體（γ）界面非共格。共格相界的形成降低了奧氏體非均相形核的激活能。這種共格相界（鐵素體（α3）-奧氏體）的遷移是界面控制的，所以遷移率低。相反，具有非KS取向關系的非共格相界面（鐵素體（α2）-奧氏體）能量和遷移率較高，其中遷移受擴散控制。在擴散控制生長中，靠近界面的鐵素體中的錳濃度等于熱力學計算得到的平衡錳濃度。

圖1 500℃退火6h（簡稱IA500/6）鋼的TKD研究

圖2 IA500/6鋼中的位錯和Mn分布

圖3 通過晶界/相界和位錯的錳擴散路徑示意圖。

圖4IA450/2中的錳元素分布圖

圖5 共格和非共格的奧氏體（γ）-鐵素體（α）界面上錳濃度示意圖

綜上所述，在奧氏體生長過程中，Mn的遷移和位錯擴散具有顯著作用。對于500℃退火6 h（IA500/6）的中錳鋼，HAGB處形核的奧氏體晶粒尺寸比LAGB處的奧氏體大得多（25倍）。這是由于缺乏錳擴散和主要的GB擴散，在500℃下＞，從APT結果中得到的直接證據表明，在IA450/2試樣中，GB擴散和遷移是奧氏體生長過程中錳擴散的主要途徑。本研究揭示了共格和非共格奧氏體-鐵素體相界的遷移率和化學性質。本文為設計鋼中錳的含量提供了理論依據。

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