鋼中界面科學研究進展(Ⅰ)
張福成1,2，康杰3
(1. 華北理工大學冶金與能源學院， 河北 唐山 063210；2. 燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室， 河北 秦皇島 066004；3. 河北科技大學材料科學與工程學院， 河北 石家莊 050018)
摘要：鋼中界面包括晶界、相界等，在結構和化學組成上與體相均有明顯的差異，在能量上也具有特殊性，對鋼的相變機理、服役性能等具有十分重要的影響。近年來，有關材料分析和測試手段得到快速發(fā)展，結合第一性原理和有限元模擬等技術和方法，人們對鋼中界面科學問題有了進一步深入的認識，也使得這方面的研究內(nèi)容更加豐富多彩，取得了眾多成果。綜述了鋼中的微觀固-固界面調(diào)控的國內(nèi)外研究動態(tài)，界面類型涵蓋單相鋼中的晶界和多相鋼中的相界。簡要概述了鋼中各種界面的形成機理，探討了不同界面類型的能量差異、取向差異以及應力分布等；重點關注了界面數(shù)量調(diào)控、界面結構調(diào)控和界面偏聚調(diào)控，探討了熱處理工藝、變形方式和成型方式等界面調(diào)控手段對最終界面結構形成和化學成分偏聚的影響，介紹了先進技術手段在表征界面結構和界面成分偏聚上的應用；同時對界面與位錯之間的相互作用模型及其對不連續(xù)屈服和加工硬化的影響也進行了簡述。最后從界面調(diào)控方式、計算機模擬、技術表征手段等方面對界面的未來發(fā)展趨勢進行了預測。
關鍵詞：晶界； 相界； 孿晶界； 界面偏聚； 位錯； 鋼
1 引言
界面即兩相的接觸面，不是幾何面，而是具有一定的厚度，因此有時又將界面稱為界面相。界面層原子或分子所處的力場是不對稱的，在能量上具有特殊性，比體相原子或分子要多一個表面能，從而造成界面是系統(tǒng)中的特殊部分。誠然，材料外部的表面狀態(tài)，如加工的粗糙度和完整度、殘余應力等對疲勞、磨損等性能具有重要影響，但這里更關注材料內(nèi)部存在的微觀界面，如晶界、相界、孿晶界、夾雜物/基體界面等，與宏觀表面相比，這些微觀界面從本質上決定了材料的整體性能，材料的斷裂、硬化、脆化、腐蝕、疲勞失效等，均與材料的微觀界面息息相關。因此，研究材料的微觀界面對性能的影響具有十分重要的意義。
當體系中的物質被高度分散時，界面的作用會變得十分明顯。超細晶、納米晶和納米孿晶材料的研發(fā)與應用正是利用界面效應原理，在有限質量的材料中制備更多的微觀界面，實現(xiàn)性能的高質量提升和跨越。同時研究者們也早就意識到可以通過調(diào)控晶界本身的結構特性來改善優(yōu)化金屬材料的性能。晶界工程的中心思想就是通過一定的形變熱處理工藝來調(diào)控材料的晶界特征分布，即提高材料微觀組織中低重合位置點陣晶界的比例和隔斷隨機晶界網(wǎng)絡的連通性，從而達到改善材料與晶界有關性能的目的。在晶界工程的基礎上提出的界面偏聚工程，則是通過控制溶質原子來操控界面的能量、結構、移動性和融合性，甚至促進局部相變的一種界面控制方法。因此，有關界面結構和界面局部化學熱力學和動力學的研究對于理解金屬材料的相變機制和服役性能是十分重要的。本文著重討論的金屬材料為鋼鐵材料，而界面調(diào)控是實現(xiàn)鋼鐵材料素化設計和高質量發(fā)展的重要手段。
與單相鋼中的晶界調(diào)控相比，多相鋼由于相構成的多樣性，相界以及相界偏聚調(diào)控往往更為復雜且難以精準控制。按照原子排布順序的不同，界面通常分為共格、半共格和非共格界面，共格程度越低，界面能越低。常見的相界如奧氏體(γ)/鐵素體(α)、奧氏體/馬氏體(αM)、奧氏體/貝氏體鐵素體(αBF)等均屬于半共格界面。Chen H等結合試驗和模擬對相界的遷移以及溶質原子在相界附近的偏聚情況對γ轉變成α的相變動力學的影響進行了分析。析出相/基體之間的界面共格程度相對多樣化，但出于性能優(yōu)化的考慮，更希望獲得共格界面，以最小化界面能和界面兩側相的晶格錯配程度。JIANG S等通過與基體最小晶格錯配的高密度納米析出相來設計超強馬氏體時效鋼，在不犧牲塑性的前提下強化了合金。夾雜物/基體界面屬于相界中比較特殊的一類，在煉鋼和鑄造過程中產(chǎn)生，形成的非金屬夾雜與基體之間存在較大的熱性能和彈性性能的差異，易產(chǎn)生應力集中，導致氫致裂紋、疲勞裂紋、點蝕等在該界面上產(chǎn)生，從而劣化鋼的性能。
本文主要圍繞鋼中的微觀固-固界面調(diào)控的最新研究進展來進行評述，然而，關于鋼中界面方面的內(nèi)容非常龐大、研究成果也非常多，無法做到面面俱到，這里主要包括單相鋼中的晶界、多相鋼中的相界。文中將從界面形成(晶界和相界)、界面調(diào)控(界面數(shù)量調(diào)控、界面結構調(diào)控和界面偏聚調(diào)控)、界面與位錯的相互作用和對界面未來發(fā)展趨勢的展望4部分展開。
2 精選圖表
3 展望
鋼中界面顯著影響著鋼的力學、化學以及物理性能，因此，近年來，鋼中界面科學問題的研究越來越受到材料學者的重視。然而相較于體相中較為規(guī)則的原子排布和結構，鋼中界面結構和界面能量存在著特殊性和多樣性，同時，由于這種結構和能量的特殊性使得其易作為溶質/雜質原子或位錯缺陷的偏聚或擴散地，這些都為弄清界面問題加大了難度?；诂F(xiàn)有文獻成果，提出以下幾個未來研究方向的建議。
(1)傳統(tǒng)晶界工程的控制手段一般為冷軋/拉伸/冷拉變形+高溫退火的工藝，然而其工藝參數(shù)不好控制，耗時時間較長，且在制造一些大型異型部件時存在一定的局限性，而激光增材制造工藝利用高精度激光作為能量介質，能夠處理空腔、薄壁等復雜空扭轉體和相互較長的管路，成型部件經(jīng)過簡單處理后即可直接應用，可用其作為調(diào)控晶界特征工程的強有利手段，但在激光參數(shù)、內(nèi)應力控制等方面還需要進一步摸索調(diào)控。
(2)位錯與晶界和界面相互作用的復雜性需要結合試驗、計算和建模等多尺度多方法開展研究，以橋接重要的時間和空間長度尺度。對于跨晶界和界面的滑移轉移情況，從孤立的晶界相互作用轉移到自由表面和內(nèi)部涉及多個晶粒的相互作用都需要在試驗能力、計算方法和理論方法方面取得進展。
(3)先進技術在表征晶界偏聚現(xiàn)象時缺乏足夠的統(tǒng)計性，雖然原則上能夠提供某些晶界偏聚信息，但大多數(shù)方法在單獨使用時缺乏晶體學細節(jié)、化學分辨率和/或空間分辨率。此外，由于存在大量不同的晶界(需要5個獨立的晶體學參數(shù)來描述晶界)，因此獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)很少具有足夠的可置信度。因此需要通過結合APT/TEM或者APT/EBSD，提供原子級化學偏聚和在相同樣品位置受影響的晶界相關結晶學的互補表征，也就是從多尺度層面結合多種技術手段來表征晶界及晶界偏聚的結構和化學特性。同時，由于晶界本身的彎曲形狀，對TEM/APT試樣的精確制備也存在較大挑戰(zhàn)。
(4)傳統(tǒng)的界面設計是經(jīng)驗式或炒菜式地去發(fā)現(xiàn)界面的作用，以后的發(fā)展趨勢之一是在清楚界面作用的基礎上，以界面為導向和中心，將晶界或相界作為基元來設計新材料或新工藝。
