深入了解增材制造高合金钢中的一次碳化物和纳米颗粒

摘要：根据3D科学谷的技术洞察，碳化物和纳米颗粒对不锈钢的影响是多方面的，它们可以显著改善某些性能，如硬度、强度和耐磨性，碳化物和纳米颗粒作为硬质相，能够显著提高不锈钢的硬度和强度。这些硬质相可以阻碍位错的运动，从而增强材料的强度，但也可能对耐蚀性和加工性产生不利影

根据3D科学谷的技术洞察，碳化物和纳米颗粒对不锈钢的影响是多方面的，它们可以显著改善某些性能，如硬度、强度和耐磨性，碳化物和纳米颗粒作为硬质相，能够显著提高不锈钢的硬度和强度。这些硬质相可以阻碍位错的运动，从而增强材料的强度，但也可能对耐蚀性和加工性产生不利影响。因此，通过精确控制这些相的形成和分布，可以优化不锈钢的性能，以满足特定的工程应用需求。

借助中子科学实验室的分享，本期，3D科学谷与谷友共同领略关于深入了解增材制造高合金钢中的一次碳化物和纳米颗粒的深入研究。这项研究提供了对增材制造高合金钢中碳化物和纳米颗粒形成与演变的深入理解，有助于优化材料的微观结构和性能。

3D科学谷洞察

“增材制造通过有效地控制碳化物和纳米颗粒在不锈钢中的分布，从而优化不锈钢的性能。这需要材料科学家和工程师对材料的微观结构和宏观性能之间关系有深入的理解，并能够精确控制制造过程中的各种参数。”

Acta Materialia 270 (2024) 119834

Published: 15 May 2024

增材制造技术凭借快速凝固与高温梯度条件，在高合金钢制备中展现出显著优势，能够显著优化材料性能。然而，现有研究主要集中于晶粒与亚晶粒结构对力学性能的影响，对析出相特别是纳米碳化物的研究较为有限。碳化物的尺寸、分布及化学组成在钢材强化中具有关键作用，而增材制造非平衡微观组织对析出相形成与演变的影响尚未系统揭示，亟需深入研究。

英国莱斯特大学Bo Chen教授团队结合TEM、APT和SANS等技术，探究增材制造高合金钢在热处理前后的成分和尺寸变化，用于研究析出相在材料强化中的作用。结果表明，大尺寸碳化物形成不连续网络，通过钉扎效应限制奥氏体化和回火时晶粒生长；回火诱导的纳米颗粒半径减小、体积分数增加，通过orowan旁路机制提高强度。该工作以《Insights into primary carbides and nanoparticles in an additively manufactured high-alloy steel》为题发表在国际顶级期刊《Acta Materialia》上。

大尺寸碳化物的分布

对化学成分为 1.48C-10.34W-2.07Mo-5.08V-4.82Cr-7.98Co-0.58Si-0.23Mn（wt.%）的 S390 高合金钢进行奥氏体化和三重回火。

对于制造状态（图 1a和1b），碳化物分布在原奥氏体晶界处，形成不连续的网络。存在两种类型的碳化物：较亮的是富含 Mo、W 的 M2C/M6C 碳化物，较暗的是富含 V 的 MC 碳化物。奥氏体化后（图 1c和1d），碳化物网络消失，由离散的大颗粒取代。大多数颗粒位于多个晶粒的交界处；晶粒内部往往出现形状圆整、尺寸较小的碳化物。回火后（图1e、1f）出现大量细小的碳化物，且在晶粒内部分布比较均匀，交界处碳化物无变化。

图1. 显示钢基体中碳化物颗粒分布的BSE 显微照片：(a) 和 (b) 制造状态；(c) 和 (d) 奥氏体化状态；(e) 和 (f) 回火状态。

纳米颗粒的成分和尺寸演变

制造状态下，存在富钒碳化物，钢基体和碳化物成分均匀。奥氏体化状态下，分析体积中的所有元素均呈现均匀分布，意味着纳米级富 V 碳化物颗粒在奥氏体化过程中溶解了。回火状态下，C、V、Mo 和 W 在整个分析体积中分散在离散区域中，表明在回火过程中形成了纳米颗粒，成分富 V 和Cr 。

图2. APT分析基质-碳化物界面上的邻近直方图：(a) 制造状态；(b) 奥氏体化状态；(c) 回火状态。

从三个状态样品获得的 SANS 结果如图 3a-3c 所示。每个图中均包含 Porod 定律的 q−4 图，以显示大于 150 nm 的较大颗粒的预期散射贡献。在制造状态下（图 3a），散射强度 I(q) 在低 q 下严格遵循 q−4，但在 q > 0.015 Å−1 时开始偏离 q−4。磁信号与核信号差异微小。在奥氏体状态下（图 3b），除了 q > 0.1 Å−1 的背底，在整个 q 范围内只有核信号遵循 q−4，表明核散射的主要贡献来自钢基体和散射颗粒之间的界面；当 q > 0.01 Å−1 时，磁信号表现出与 q−4的偏差。在回火状态下（图 3c），核强度图和磁强度图在 q > 0.02 Å−1都偏离了 Porod 定律。图3d为回火状态下的SANS拟合曲线。在制造状态下，Rm=7.60±2.02，fv=1.60±0.97%，在回火状态下，Rm=0.95±0.11，fv=2.32±1.31%。

图3. SANS 测量了 (a)–(c) 中三个状态样品的强度 I(q) 与 q 的关系，以及 (d) 中回火状态样品的拟合结果。

强化机制

纳米颗粒的强度贡献可以通过使用颗粒剪切或 Orowan 绕过强化机制来评估，具体取决于沉淀物和移动位错之间的相互作用。对于与基体共格且尺寸小于临界值的析出相，位错在剪切机制下可以切穿析出相。当析出相尺寸超过临界值时，通常位错会通过颗粒之间开环的扩展绕过阻碍颗粒，即Orowan绕过机制。

要根据钢中析出相预测强度增量，必须首先确定其作用机制。绘制剪切（Δσmodulus+Δσcoherency）和Orowan绕过（ΔσOrowan）机制的强度增量和半径R的函数。图 4 显示了体积分数设置为 1% 时的预测强度增量。可以看出，剪切机制比 Orowan 机制大了近三个数量级。这意味着当前钢铁系统中的主要强化机制是Orowan绕过。通过计算，纳米颗粒引起的强度增量为 294 MPa 和 985 MPa，由于晶粒生长而导致的材料强度损失估计为 33-126 MPa，由纳米颗粒诱导的 Orowan 型强化机制补偿，该机制有助于强度增强 691 MPa。为此，析出强化被认为是使回火高合金钢具有前所未有的强度的主要机制。