析出相
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-05
析出相的實例教程
盡管可以通過晶界孿晶界、溶質原子和析出相等阻礙位錯運動，提高其強度。但與此同時會降低延展性，且析出相也會阻礙相變。
在此，來自美國橡樹嶺國家實驗室的Ying Yang & Easo P. George等研究者使用Fe-Ni-Al-Ti中熵合金作為模型材料，獲得的雙重功能納米析出相可以同時提升合金的拉伸強度和均勻延伸。相關論文以題為“Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy”發表在最新一期Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03607-y
研究者的策略是采用以下兩種假設的合金來說明的。圖1a所示，合金Α1在高溫下為單相fcc(奧氏體)，當淬火到室溫時，它發生bcc-馬氏體轉變，如圖1b。合金Α2在高溫下具有兩相組織(圖1c)，由分布在fcc-奧氏體基體中的析出相組成，其成分與合金Α1相同。因此，在沒有析出相的情況下，A2基體在淬火時也應發生bcc-馬氏體的轉變。然而，如圖1d所示，由于析出相的空間限制，其馬氏體相變將被抑制，從而形成亞穩的fcc-奧氏體基體。
圖1 FNAT-m-47h和FNAT-47h合金的組織和拉伸性能。
為了實現以上這些合金，研究者設計并制備了兩種中等熵合金(MEA)成分。首先是Α2合金，其成分為Fe-32.6Ni-6.1Al-2.9Ti (at%)，在其主要成分和時效時間(47h)后記為FNAT-47h。
展開 鑒于化學計量具有A3B型結構的L12相，以及元素在多組分L12晶格中的趨勢，析出相為多組分(Ni,Co,Fe,Cr)3(Ti,Al,Cr,W,Mo)L12相。SEGB的形成與相對較大的晶間析出相有關，由于基體和晶界之間的應變能差異以及沿晶粒的快速溶質擴散，析出相/基體界面的邊界優先向晶界快速生長和增粗。平整晶界STG-MNiHEA樣品的析出相通過Ostwald熟化機制而不是彼此聚結而粗化，這種粗化過程導致晶內和晶間析出相呈球狀。
研究者發現，在~0.03%的低塑性應變幅下，通過加入韌性可轉變的多組分B2相，設計合金的疲勞壽命至少是其他常規合金的4倍，表現出更強的抗疲勞裂紋萌生能力。研究者通過使用最新的實時原位中子衍射和先進的電子顯微鏡，以及晶體塑性建模和蒙特卡羅(MC)模擬，揭示了其底層機制。在高熵合金中觀察到位錯滑移、析出強化、變形孿晶和可逆馬氏體相變等多種循環變形機制。研究表明，其在低應變幅下的疲勞性能的改善，即高的疲勞裂紋萌生抗力，歸因于B2強化相的高彈性、塑性變形能力和馬氏體相變。結果表明，將可變形的多組分金屬間析出相結合，并提供多種有益的循環變形機制的設計思想，為設計先進的抗疲勞合金提供了新的方向。
圖1 所研究的HEA的相和微觀結構信息。
圖2 Al0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF結果。
圖3 實時原位中子衍射結果。
圖4 TEM和SEM表征了不同應變幅下的結構演變。
圖5 MC模擬結果。
圖6 所研究的HEA中的循環變形機制和微裂紋萌生行為示意圖。
綜上所述，研究者的工作為理解多組分B2析出強化HEA的循環變形機制提供了一個完整的思路，并通過引入可變形的多組分金屬間析出相來指導抗疲勞合金的設計，這些析出相可以通過調整HEAs成分和熱機械加工很容易實現。（
文：水生
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展開 作者在文章中采用了一種名為“沃羅諾伊圖 (Voronoi construction)”的方法來更真實地描述析出顆粒的空間分布，并以此修正了顆粒周圍的原子擴散距離，提升了模型的準確性，模型通過與鎳基（Ni-Al-Cr）合金的原子探針實驗數據進行對比，得到了很好的驗證。作者對文章的程序進行了開源，感興趣的可以下載了解，原始文章
作者提供的程序
https://github.com/KeXuMSE/Voronoi-Construction-based-Kampmann-and-Wagner-numerical-model
該模型的顯著優勢：
準確預測沉淀物的尺寸和成分
能夠通過簡單、定量的生長動力學方程處理復雜的合金化學反應
通過 Voronoi 構造可視化沉淀物的空間分布
對于分析鎳基合金析出相分析有良好的啟發性，感興趣的可以下載研究一下。
展開 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換衍射斑
圖九 數量密度等效半徑統計
富Cu相與富Cr相的數量密度和等效半徑的變化
圖十 析出強化理論計算
富Cu相與富Cr區對強度貢獻的理論計算
【小結】
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化機制。
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這導致熔池內部及相鄰層、道之間形成獨特的微觀結構，包括精細的枝晶結構、晶粒尺寸、晶粒取向（織構）以及由微觀偏析引起的潛在析出相。這些凝固組織特征直接決定了制件最終的力學性能（如強度、韌性）和物理性能。因此，精準預測和控制凝固組織演變對于增材制造的工業化應用至關重要。</p><p>有限元-元胞自動機（CAFE）法是一種強大的跨尺度模擬方法，為研究增材制造凝固組織形成提供了有力工具。
作者提供的程序
https://github.com/KeXuMSE/Voronoi-Construction-based-Kampmann-and-Wagner-numerical-model
該模型的顯著優勢：
準確預測沉淀物的尺寸和成分
能夠通過簡單、定量的生長動力學方程處理復雜的合金化學反應
通過 Voronoi 構造可視化沉淀物的空間分布
對于分析鎳基合金析出相分析有良好的啟發性
SM2鋼中加入Al，在時效時可以析出硬化相Ni3Al。加入Cr的主要作用是提高鋼的淬透性，因此SM2鋼比PMS鋼的淬透性稍高，加入S和Mn，可以形成易切削相MnS，因此，SM2鋼的可加工性優于PMS鋼。
SM2鋼的鍛造工藝與SM1鋼相同，鍛后不必退火。
Nb、V、Mo的碳化物傾向于在已形成的碳化物表面形成，穩定界面能、減小碳化物粗化趨勢，可細化碳化物尺寸聞玉輝等發現Nb微合金化后大尺寸Ti(C，N)析出相顯著減少，基體中彌散分布著大量3~30 nm的球狀(Nb,Ti)(C,N)析出相。
時效處理是指在強化相析出的溫度區間內加熱并保持一段時間，使高溫合金的強化相均勻析出，從而提高鑄件的強度。近年來，國內研究者也對鎳基鑄造合金熱處理工藝開展了更加廣泛和深入的研究。
一般來說，不可逆的氫陷阱包括非金屬夾雜物[13]、析出相[14]、高角度晶界[15]和位錯核[16]。Hara等[17]和Huang等[18-19]對鋼中氫致裂紋進行微觀表征發現，非金屬夾雜物是裂紋形核的主要位置。Hejazi等[20]進一步研究指出，鋼中球狀的氧化鋁、氧化鈣夾雜和細長的硫化錳夾雜是對材料抗氫脆性能最不利的夾雜物。
表4 點腐蝕試驗測試結果
圖6 點蝕后金相圖
金屬間有害相評價
雙相不銹鋼中的析出相大多含有較高含量的Cr、Mo 和N，其析出不但造成材料耐腐蝕性能的顯著下降，而且會給后續鋼的成形帶來很大的困難，研究表明這些相中危害最大的是σ 相，具有四方結構的σ 相是關鍵有害相，即使有少量的σ 相也對雙相不銹鋼塑韌性和耐腐蝕性能危害極大。
(2)合金元素、焊接熱循環和焊接工藝參數等都會對奧氏體和鐵素體兩相區產生影響，通過合理控制，可以獲得最佳的兩相組織。有害析出相通常是形成腐蝕失效的地方，需嚴格控制其析出形成。氫脆決定于焊接熱輸人的峰值溫度和周圍環境，通過合理控制可減小其發生的可能性。
在550℃ ~ 820℃長時間加熱后，則輕易從鐵素體中析出σ相，也明顯降低其塑、韌性。
3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點
馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能，從Cr12為基的馬氏體不銹鋼，因加進鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性能，還具有較高的高溫強度及抗高溫氧化性能。
注意:焊后冷卻速度要足夠慢,使得奧氏體重新形成,但是不能太慢,太慢會析出金屬間相,也不能太快,太快會在熱影響區產生過多的鐵素體。務必遵循產商提供的焊接工藝和焊材選擇手冊。
