鋼中界面科學(xué)研究進(jìn)展(Ⅱ)
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：鋼中界面的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及其在變形、加熱等外部環(huán)境作用下的演變行為等都深刻影響著鋼的力學(xué)和化學(xué)行為，主導(dǎo)控制鋼的力學(xué)、化學(xué)和加工性能。鋼中界面往往是鋼中新相的核點(diǎn)、變形的結(jié)點(diǎn)、裂紋的起點(diǎn)、腐蝕的源點(diǎn)。在一定程度上講，弄清鋼中界面科學(xué)問題，也就知道了鋼失效的本質(zhì)和提高鋼質(zhì)量的方向。在鋼中界面科學(xué)研究(Ⅰ)的基礎(chǔ)上，以鋼中界面為研究對(duì)象，詳細(xì)綜述了界面對(duì)鋼相變行為和服役使用性能的影響。分析了相界及相界成分或析出物偏聚對(duì)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變、奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變和逆轉(zhuǎn)奧氏體相變的影響；探討了界面以及界面成分偏聚對(duì)強(qiáng)度、塑性和韌性的影響；闡述了孿晶界、相界以及夾雜物/基體之間的界面在疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展方面起到的作用；重點(diǎn)關(guān)注了晶界、孿晶界調(diào)控以及晶界偏聚調(diào)控提高耐腐蝕性能的機(jī)理以及應(yīng)用；分析了各種界面類型對(duì)抗氫脆性能的影響并簡(jiǎn)述了界面在蠕變性能劣化中起到的作用。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在界面研究方面的應(yīng)用，并指出了鋼在服役性能中面臨的界面科學(xué)問題以及今后重點(diǎn)研究方向的建議。
關(guān)鍵詞：界面；相變；疲勞；腐蝕；蠕變；氫脆
1 引言
界面上由于原子排列不規(guī)則而造成結(jié)構(gòu)比較疏松，因而也使其具有一些不同于體相晶粒的特性，如易受腐蝕(熱侵蝕、化學(xué)腐蝕)暴露；可作為原子或離子快速擴(kuò)散的通道，并容易引起溶質(zhì)或雜質(zhì)原子的偏聚；熔點(diǎn)低于晶粒；存在著許多空位、位錯(cuò)和結(jié)合鍵變形等缺陷，使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，故能階較高，使得界面成為相變時(shí)優(yōu)先形核的區(qū)域。利用界面的一系列特性，通過(guò)控制界面組成、結(jié)構(gòu)和相態(tài)等來(lái)調(diào)控金屬材料的服役性能一直是材料科學(xué)工作者很感興趣的研究領(lǐng)域。
晶界按照重合位置點(diǎn)陣模型可以分為低-ΣCSL晶界(1≤Σ≤29)和隨機(jī)晶界(Σ>29)。低-ΣCSL晶界表現(xiàn)出對(duì)腐蝕、敏化、斷裂和溶質(zhì)偏聚等行為具有強(qiáng)烈的抑制作用，某些情況下甚至能夠?qū)崿F(xiàn)完全免疫，而隨機(jī)晶界(Σ>29)因具有低的結(jié)構(gòu)有序度、大的自由體積和高的界面能，常成為裂紋萌生的核心和擴(kuò)展的通道。除了晶界本身結(jié)構(gòu)的不同，溶質(zhì)/雜質(zhì)原子在界面上的偏聚也會(huì)引起材料性能發(fā)生改變。一方面，界面偏聚通常會(huì)降低界面的內(nèi)聚力，導(dǎo)致在服役條件下發(fā)生脆性晶間斷裂，降低抗腐蝕能力，從而限制材料的實(shí)際使用，也可能強(qiáng)烈影響熱變形過(guò)程中晶粒的再結(jié)晶和相變進(jìn)程。另一方面，界面偏聚可以穩(wěn)定納米晶材料中的晶粒尺寸，并可用于界面設(shè)計(jì)。因此，通過(guò)對(duì)金屬材料的晶界結(jié)構(gòu)和局部化學(xué)成分進(jìn)行控制和優(yōu)化以改善材料的晶界相關(guān)性能，是一種行之有效的方法。此外，界面與位錯(cuò)之間的交互作用既可導(dǎo)致?lián)p傷形核，又可阻止損傷形成。損傷的形成會(huì)導(dǎo)致金屬材料發(fā)生裂紋萌生、脆性敏感性等，損害部件的服役壽命，相反，阻止損傷形成則可強(qiáng)化金屬材料，提高其使用性能。
本文在鋼中界面科學(xué)研究(I)的基礎(chǔ)上，以鋼中界面為研究對(duì)象，詳細(xì)綜述了界面對(duì)鋼相變行為和服役使用性能的影響，包括常規(guī)力學(xué)性能、疲勞性能、耐腐蝕性能、高溫蠕變性能以及抗氫脆性能的影響，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在界面研究方面的應(yīng)用。
2 精選圖表
3 展望
鋼中的界面數(shù)量、類型、界面偏聚以及界面與位錯(cuò)之間的作用顯著影響著鋼的力學(xué)、化學(xué)以及物理性能，因此，近年來(lái)鋼中界面科學(xué)問題的研究越來(lái)越受到材料學(xué)者的重視?；诂F(xiàn)有文獻(xiàn)成果，提出以下幾個(gè)未來(lái)研究方向建議。
(1)在鋼中，單一的細(xì)晶強(qiáng)化往往會(huì)造成塑性或韌性或多或少的損傷，而通過(guò)引入彌散分布的納米析出相或納米孿晶界面，既可豐富鋼的強(qiáng)化來(lái)源，還可通過(guò)調(diào)整多相界面結(jié)構(gòu)及界面的局部化學(xué)成分偏聚提高與基體的塑性變形協(xié)調(diào)性，以達(dá)到同時(shí)增強(qiáng)增塑或增韌的效果。同時(shí)從文獻(xiàn)成果還可知，層狀的界面結(jié)構(gòu)對(duì)性能的優(yōu)化更為有利。因此，在目前鋼成分素化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行納米或微納米尺度的層狀多相多孿晶的微觀組織調(diào)控是提升鋼綜合力學(xué)性能的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，但在熱機(jī)械加工參數(shù)如變形量、溫度、應(yīng)變速率等方面還需進(jìn)一步摸索。
(2)晶界工程在調(diào)控和優(yōu)化單相奧氏體鋼、超細(xì)晶鐵素體或鐵素體/馬氏體鋼以及奧氏體/鐵素體不銹鋼的組織和性能方面成績(jī)斐然，然而在馬氏體鋼和貝氏體鋼方面的應(yīng)用相對(duì)較少，尤其是貝氏體鋼方面十分稀少，在晶界工程的熱機(jī)械加工處理工藝參數(shù)等方面還有待進(jìn)一步開發(fā)和摸索。
(3)利用傳統(tǒng)晶界工程通常是盡可能提高特殊晶界的比例來(lái)調(diào)控材料的腐蝕、氫脆等性能，然而不同晶界類型對(duì)材料腐蝕性能的影響有可能是相悖的，比如共格Σ3孿晶界面具有較強(qiáng)的抗晶間腐蝕開裂能力，然而在抗氣蝕方面卻表現(xiàn)較差，而利用增材制造方法則有可能在組織中制備得到無(wú)差別的晶界組織特征，在保證力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高材料的抗腐蝕性能，因此去晶界特征化的晶界調(diào)控也可作為未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向，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。
(4)目前文獻(xiàn)中對(duì)相界偏聚的研究較少，偏聚理論(平衡偏聚和非平衡偏聚)在相界偏聚中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步系統(tǒng)的研究。由于它們的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和界面能不同，對(duì)這類異質(zhì)界面的處理與對(duì)晶界的處理不同。因此，需要在這一領(lǐng)域進(jìn)行基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步闡明相界面偏聚的機(jī)理，以及如何利用和操縱相界面偏聚來(lái)提高力學(xué)性能。
(5)界面結(jié)構(gòu)、界面類型和界面上的局部化學(xué)成分都對(duì)材料的服役性能有著至關(guān)重要的作用，然而，由于界面本身的復(fù)雜多樣性，很難找到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表征不同成分鋼種中界面與性能之間的關(guān)系。而機(jī)器學(xué)習(xí)作為一類從數(shù)據(jù)中自動(dòng)分析獲得規(guī)律并利用規(guī)律對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的算法，可有效解決試驗(yàn)材料數(shù)據(jù)處理、界面篩選與性能預(yù)測(cè)方面的問題，是一個(gè)很有前途的研究方向。
