鋼中界面科學(xué)研究進(jìn)展(Ⅰ)

張福成^1,2，康杰³

(1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063210；2. 燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004；3. 河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河北 石家莊 050018)

摘要：鋼中界面包括晶界、相界等，在結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成上與體相均有明顯的差異，在能量上也具有特殊性，對(duì)鋼的相變機(jī)理、服役性能等具有十分重要的影響。近年來，有關(guān)材料分析和測(cè)試手段得到快速發(fā)展，結(jié)合第一性原理和有限元模擬等技術(shù)和方法，人們對(duì)鋼中界面科學(xué)問題有了進(jìn)一步深入的認(rèn)識(shí)，也使得這方面的研究?jī)?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(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，界面類型涵蓋單相鋼中的晶界和多相鋼中的相界。簡(jiǎn)要概述了鋼中各種界面的形成機(jī)理，探討了不同界面類型的能量差異、取向差異以及應(yīng)力分布等；重點(diǎn)關(guān)注了界面數(shù)量調(diào)控、界面結(jié)構(gòu)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(duì)最終界面結(jié)構(gòu)形成和化學(xué)成分偏聚的影響，介紹了先進(jìn)技術(shù)手段在表征界面結(jié)構(gòu)和界面成分偏聚上的應(yīng)用；同時(shí)對(duì)界面與位錯(cuò)之間的相互作用模型及其對(duì)不連續(xù)屈服和加工硬化的影響也進(jìn)行了簡(jiǎn)述。最后從界面調(diào)控方式、計(jì)算機(jī)模擬、技術(shù)表征手段等方面對(duì)界面的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：晶界； 相界； 孿晶界； 界面偏聚； 位錯(cuò)； 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(shí)又將界面稱為界面相。界面層原子或分子所處的力場(chǎng)是不對(duì)稱的，在能量上具有特殊性，比體相原子或分子要多一個(gè)表面能，從而造成界面是系統(tǒng)中的特殊部分。誠(chéng)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(yīng)力等對(duì)疲勞、磨損等性能具有重要影響，但這里更關(guān)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(zhì)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(guān)。因此，研究材料的微觀界面對(duì)性能的影響具有十分重要的意義。

當(dāng)體系中的物質(zhì)被高度分散時(shí)，界面的作用會(huì)變得十分明顯。超細(xì)晶、納米晶和納米孿晶材料的研發(fā)與應(yīng)用正是利用界面效應(yīng)原理，在有限質(zhì)量的材料中制備更多的微觀界面，實(shí)現(xiàn)性能的高質(zhì)量提升和跨越。同時(shí)研究者們也早就意識(shí)到可以通過調(diào)控晶界本身的結(jié)構(gòu)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(diǎn)陣晶界的比例和隔斷隨機(jī)晶界網(wǎng)絡(luò)的連通性，從而達(dá)到改善材料與晶界有關(guān)性能的目的。在晶界工程的基礎(chǔ)上提出的界面偏聚工程，則是通過控制溶質(zhì)原子來操控界面的能量、結(jié)構(gòu)、移動(dòng)性和融合性，甚至促進(jìn)局部相變的一種界面控制方法。因此，有關(guān)界面結(jié)構(gòu)和界面局部化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)于理解金屬材料的相變機(jī)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(shí)現(xiàn)鋼鐵材料素化設(shè)計(jì)和高質(zhì)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(gòu)成的多樣性，相界以及相界偏聚調(diào)控往往更為復(fù)雜且難以精準(zhǔn)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(jié)合試驗(yàn)和模擬對(duì)相界的遷移以及溶質(zhì)原子在相界附近的偏聚情況對(duì)γ轉(zhuǎn)變成α的相變動(dòng)力學(xué)的影響進(jìn)行了分析。析出相/基體之間的界面共格程度相對(duì)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(cè)相的晶格錯(cuò)配程度。JIANG S等通過與基體最小晶格錯(cuò)配的高密度納米析出相來設(shè)計(jì)超強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼，在不犧牲塑性的前提下強(qiáng)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(yīng)力集中，導(dǎo)致氫致裂紋、疲勞裂紋、點(diǎn)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(jìn)展來進(jìn)行評(píng)述，然而，關(guān)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(jié)構(gòu)調(diào)控和界面偏聚調(diào)控)、界面與位錯(cuò)的相互作用和對(duì)界面未來發(fā)展趨勢(shì)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(xué)、化學(xué)以及物理性能，因此，近年來，鋼中界面科學(xué)問題的研究越來越受到材料學(xué)者的重視。然而相較于體相中較為規(guī)則的原子排布和結(jié)構(gòu)，鋼中界面結(jié)構(gòu)和界面能量存在著特殊性和多樣性，同時(shí)，由于這種結(jié)構(gòu)和能量的特殊性使得其易作為溶質(zhì)/雜質(zhì)原子或位錯(cuò)缺陷的偏聚或擴(kuò)散地，這些都為弄清界面問題加大了難度?；诂F(xiàn)有文獻(xiàn)成果，提出以下幾個(gè)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(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，且在制造一些大型異型部件時(shí)存在一定的局限性，而激光增材制造工藝?yán)酶呔燃す庾鳛槟芰拷橘|(zhì)，能夠處理空腔、薄壁等復(fù)雜空扭轉(zhuǎn)體和相互較長(zhǎng)的管路，成型部件經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后即可直接應(yīng)用，可用其作為調(diào)控晶界特征工程的強(qiáng)有利手段，但在激光參數(shù)、內(nèi)應(yīng)力控制等方面還需要進(jìn)一步摸索調(diào)控。

(2)位錯(cuò)與晶界和界面相互作用的復(fù)雜性需要結(jié)合試驗(yàn)、計(jì)算和建模等多尺度多方法開展研究，以橋接重要的時(shí)間和空間長(zhǎng)度尺度。對(duì)于跨晶界和界面的滑移轉(zhuǎn)移情況，從孤立的晶界相互作用轉(zhuǎn)移到自由表面和內(nèi)部涉及多個(gè)晶粒的相互作用都需要在試驗(yàn)?zāi)芰?、?jì)算方法和理論方法方面取得進(jìn)展。

(3)先進(jìn)技術(shù)在表征晶界偏聚現(xiàn)象時(shí)缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)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(dú)使用時(shí)缺乏晶體學(xué)細(xì)節(jié)、化學(xué)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(gè)獨(dú)立的晶體學(xué)參數(shù)來描述晶界)，因此獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)很少具有足夠的可置信度。因此需要通過結(jié)合APT/TEM或者APT/EBSD，提供原子級(jí)化學(xué)偏聚和在相同樣品位置受影響的晶界相關(guān)結(jié)晶學(xué)的互補(bǔ)表征，也就是從多尺度層面結(jié)合多種技術(shù)手段來表征晶界及晶界偏聚的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性。同時(shí)，由于晶界本身的彎曲形狀，對(duì)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(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)式或炒菜式地去發(fā)現(xiàn)界面的作用，以后的發(fā)展趨勢(shì)之一是在清楚界面作用的基礎(chǔ)上，以界面為導(dǎo)向和中心，將晶界或相界作為基元來設(shè)計(jì)新材料或新工藝。