【引言】

17-4沉淀硬化不銹鋼(17-4 PH SS)因具有高的強(qiáng)度以及良好的塑性，被廣泛使用在核電、航空航天等領(lǐng)域。以往研究表明，富Cu相析出強(qiáng)化是造成高強(qiáng)度的主要原因。17-4PH SS時(shí)效過程中，多元納米相會(huì)發(fā)生協(xié)同作用，對(duì)力學(xué)性能具有重要的影響，但協(xié)同作用機(jī)理未得到認(rèn)識(shí)。本文主要對(duì)17-4 PH SS 450℃時(shí)效過程中納米相的析出演變機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，上海大學(xué)劉文慶研究員(通訊作者)在Acta Mater.上發(fā)表了一篇題為“Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties  of 17-4 precipitation-hardening stainless steel”的文章。在該文章中研究人員采用HRTEM、APT等手段分析了富Cu相、NMSN相(Ni₁₆Si₇(MnNb)₆)以及富Cr區(qū)的析出次序，明確了富Cu相、NMSN相與基體的晶體學(xué)關(guān)系，闡明了9R結(jié)構(gòu)富Cu相為NMSN相的形成所提供的晶體學(xué)條件。

【圖文解讀】

圖一 力學(xué)性能

顯微硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性隨時(shí)效時(shí)間的變化曲線

圖二 時(shí)效1 h 

（a）Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布；(b) Cu、Ni和Mn的NND統(tǒng)計(jì)

圖三 時(shí)效8 h 

（a）Cu、Ni、Mn、Si、C人以及Nb空間分布；(b) 10% Cu等濃度面分布；(c)富Cu相的剖面成分分布

圖四 時(shí)效32 h 

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布;（b）10% Cu和15%Ni+Mn+Si等濃度面分布；(c) 富Cu相剖面成分分布；(d) ROI-1紅色箭頭方向原子一維濃度分布

圖五 時(shí)效100 h 

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布;（b）10% Cu和15%Ni+Mn+Si等濃度面分布；(c) 富Cu相剖面成分分布；(d) 圖c中富Cu相紅色箭頭方向原子一維濃度分布

圖六 時(shí)效200 h 

(a) Cu、Ni、Mn、Si、Cr和Nb空間分布;（b）10% Cu和15%Ni+Mn+Si等濃度面分布；(c) 圖b中ROI-1\2\3富Cu相與NMSN相原子一維濃度分布

圖七 富Cr區(qū)APT表征和統(tǒng)計(jì)

(a) 時(shí)效32h、100h和200h,Cr的NND統(tǒng)計(jì)；(b) 45%Cr等濃度分布以及剖面分成分布；(c) 富Cr區(qū)的“振幅”和“波長”統(tǒng)計(jì)

圖八 HRTEM表征

(a)(b)非孿晶9R富Cu相；(c) W型孿晶9R富Cu相；(d)孿晶9R、W型9R富Cu相和NMSN相，插圖為富Cu相、NMSN相和基體的傅里葉轉(zhuǎn)換衍射斑

圖九 數(shù)量密度等效半徑統(tǒng)計(jì)

富Cu相與富Cr相的數(shù)量密度和等效半徑的變化

圖十 析出強(qiáng)化理論計(jì)算

富Cu相與富Cr區(qū)對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)的理論計(jì)算

【小結(jié)】

本研究利用HRTEM和APT研究17-4 PH SS 450℃回火過程中納米相的析出行為和強(qiáng)化機(jī)制。主要結(jié)論如下：

(1) 回火過程中力學(xué)性能變化分兩個(gè)階段。第一階段，強(qiáng)度和硬度快速上升達(dá)到峰值，后緩慢降低并穩(wěn)定，而沖擊韌性則相反，先降至最低再緩慢上升并穩(wěn)定；第二階段，強(qiáng)度和硬度在一個(gè)穩(wěn)定值保持?jǐn)?shù)十小時(shí)后再次緩慢提高，沖擊韌性保持在一個(gè)穩(wěn)定值數(shù)十小時(shí)后再次降低。第一階段是由富Cu相的析出、長大和粗化造成的，第二階段則是在富Cu相析出、長大和粗化基礎(chǔ)上疊加了調(diào)幅分解產(chǎn)生的富Cr區(qū)的強(qiáng)化作用所致。

(2) 多元納米相的析出演變機(jī)制如下：共格富Cu原子團(tuán)簇(1h)→共格核殼結(jié)構(gòu)富Cu原子團(tuán)簇/富Nb、Mo原子團(tuán)簇(8h)→非孿晶9R結(jié)構(gòu)富Cu相/共格NiSiMnNb原子團(tuán)簇/富Cr區(qū)(32h)→W型孿晶9R結(jié)構(gòu)富Cu相/共格NiSiMnNb原子團(tuán)簇/富Cr區(qū)(100h)→孿晶9R結(jié)構(gòu)富Cu相/BCC結(jié)構(gòu)NMSN相/富Cr區(qū)(200h)。

(3) 非孿晶9R富Cu相是NMSN相和孿晶9R富Cu相的前驅(qū)相。富Nb原子團(tuán)簇偏聚在富Cu相/基體的界面，有利于NMSN相析出。富Cu相、基體和NMSN相的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：(009)_9R-CRPs//(10)_BCC-Matrix//(20)_BCC-NMSN。

文獻(xiàn)鏈接：Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties of 17-4 precipitation-hardening stainless steel (Acta Mater., 20 June 2018, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.031)