超高強度馬氏體時效鋼廣泛用于許多關鍵應用，例如飛機起落架、火箭外殼和高性能軸和管，因為它們具有卓越的強度、出色的焊接性和易加工性。 Fe-Ni-Ti是馬氏體時效鋼的經典體系，其強度主要來源于Ni₃Ti金屬間化合物的析出。這些析出物在馬氏體基體中半共格成核，具有極高的數密度和細粒度，可提供顯著的時效硬化響應。然而，許多 Fe-Ni-Ti 馬氏體時效鋼被發現在時效處理后出現嚴重的晶界 (GB) 脆化，這嚴重限制了它們的工業應用。盡管過去幾十年進行了大量研究，但馬氏體時效鋼的 GB 脆化機制仍然存在爭議。了解脆化和去脆化的基本機制對于開發具有改進性能的先進鋼的策略至關重要。

來自香港理工大學的學者通過實驗和理論技術的結合，研究結果表明，Fe-Ni-Ti 馬氏體時效鋼存在嚴重的晶間脆化，其機制與 GBs 處粗大Ni₃Ti 析出物和相關無析出物區 (PFZs) 的形成有關，這促進了裂紋沿晶界的萌生和擴展GB。有趣的是，在馬氏體時效鋼中添加 Mo 可有效抑制晶間脆化，從而顯著提高延展性。原子分析表明，Mo 通過減少 Ni 和 Ti 的偏析使晶界變脆，這大大抑制了晶界處粗大Ni₃Ti 析出物和 PFZ 的形成，從而減輕了它們對晶界開裂的有害影響。此外，Mo 偏析增強了 GB 的內聚力，這可能在抑制 GB 斷裂方面起次要作用。相關文章以“Atomic-scale understanding of solute interaction effects on grain boundary segregation, precipitation, and fracture of ultrahigh-strength maraging steels”標題發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118972

圖 1. (a) α-Fe Σ3 [110] (111) 對稱傾斜 GB 和 (b) 塊體 bcc Fe 的原子結構模型。

圖 2. (a) 不含鉬和 (c) 含鉬鋼在不同條件下的工程應力-應變曲線； (b) 無鉬鋼和 (d) 含鉬鋼在 2小時時效條件下的斷裂表面。

圖 3. 2 小時時效條件下不含鉬和含鉬鋼的顯微組織：(a) 不含鉬鋼，EBSD IPF 圖，(b)含鉬鋼，EBSD IPF 圖，(c)無鉬鋼，EBSD 相圖，(d) 含鉬鋼，EBSD相圖，(e) 無鉬鋼，SEM 顯微照片，和 (f) 含鉬鋼，SEM 顯微照片。

圖 4. (a) HAADF-STEM 圖像和 (b) 無鉬鋼在 2 小時時效條件下的相應 SAED 圖，(c) Fe、(d) Ni 和 (e) Ti 的 EDS 圖和 (f) EDS 線掃描對應于 (a) 中的紅色虛線。

圖 5. Mofree 鋼在 2 小時時效條件下的 APT 表征：(a) Ni（綠色）和 Ti（藍色）的原子圖，以及覆蓋在 Fe 原子圖上的 6 at.% Ti 等濃度表面（尺寸：60 × 60 × 140 nm³）；(b) 1 nm 厚的 Ni 和 Ti 原子圖通過代表性沉淀物的中心；(c) Ni₃Ti 沉淀物的鄰近直方圖；(d) 的高分辨率原子圖GB 區域的 Ni 和 Ti； (e) 沿著 (a) 中的圓柱垂直于GB 的一維濃度分布。

圖 6. (a) 含鉬鋼在 2 小時時效條件下的 HAADF-STEM 圖像，以及 (b) Mo、(c) Ni 和 (d) Ti 的 EDS 圖

圖 7. 含鉬鋼在 2 小時時效條件下的 APT 表征：(a) Mo（紅色）、Ni（綠色）和 Ti（藍色）以及 6 at.% Ti 的原子圖覆蓋在 Mo 原子圖上的等濃度表面（尺寸：25 × 25 × 80 nm³），(b) GB 區域的 Mo、Ni 和 Ti 的高分辨率原子圖，以及 (c) 垂直于 GB 的一維濃度分布(a)中的圓柱體。

圖 8. (a) EBSD IPF 圖和 (b) 無鉬鋼在 2 小時時效條件下開裂行為的高倍 SEM 圖像。

圖 9. Ni、Ti、Mo在Σ3[110](111)GB不同位點的GB偏析能

圖 10. Mo 在不同位置對 (a) Ni 和 (b) Ti 偏析能變化的彈性和化學貢獻。

圖 11. Fe-Ni-Ti-（Mo）馬氏體時效鋼的脆化和去脆化機制示意圖。

本研究通過實驗和計算相結合的方法，系統地分析了溶質相互作用對 Fe-Ni-Ti-(Mo) 馬氏體時效鋼晶界偏析、析出和斷裂的影響。發現Fe-Ni-Ti馬氏體時效鋼存在嚴重的晶間脆化。 晶間脆化的主要來源是在晶界處形成粗大的Ni₃Ti 析出物和相關的 PFZ，這促進了裂紋沿晶界的萌生和擴展。有趣的是，在 Fe-Ni-Ti 馬氏體時效鋼中添加 Mo 可有效抑制晶間脆化并顯著提高延展性。 APT 揭示了 GB 中 Mo 的明顯偏析。同時，晶界中 Ni 和 Ti 的偏析明顯減少，晶界處 Ni₃Ti 的析出尺寸顯著細化。 Mo 對馬氏體時效鋼的去脆化作用可歸因于 Ni 和 Ti 的晶界偏析減少，這抑制了晶界處粗 Ni₃Ti 沉淀物和相關 PFZ 的形成。 Mo 偏析還增強了GB 的內聚力，這可能在抑制 GB 斷裂方面起次要作用。