高强贝氏体钢纳米析出相的原子尺度分析

In precipitation-strengthening bainitic steels, it is still uncertain about the effects of ultra-fine (~ 2 nm) precipitates on the strength and toughness, and also the chemical concentrations in those fine coherent precipitates whether have the same stoichiometric compositions as it grows up or not. The present research will investigate the chemical concentration, size, density and distribution of those ultra-fine coherent precipitates and the reactions between dislocations and fine precipitates using high resolution analysis techniques including transmission electron microscopy (TEM) and three-dimensional atom probe (3DAP) microscope. The purpose is to find a quantitative relationship between the ultra-fine precipitates and the mechanical properties (strength and toughness), and develop new bainitic steels with high strength and high toughness with fully understanding of the above relationship.

由于几个纳米大小的与基体共格的析出相是否具有其长大成独立晶粒的化学成份配比以及如此细小的析出相对低碳贝氏体钢的强度和韧性的影响还是一个前人未踏的科学研究领域。本项目的研究内容主要是利用原子级分辨技术研究低碳贝氏体钢中的纳米级析出相的特征, 如化学成份, 尺寸, 分布, 密度及其与位错的相互作用, 探究这些特征与材料的强度和韧性的定量关系, 从而为开发超高强度和高韧性的低碳贝氏体钢提供科学的依据。

项目研究的背景:碳钢是最广泛使用的金属材料，是国民经济发展的最基本结构材料。有效科学地研发新型碳钢材料， 首先需要对碳钢中非常细小的纳米级碳化物或析出相对钢铁的性能影响有一个科学的了解。 而由于纳米级碳化物的颗粒度非常小，对其形成机制及结构表征一直存在很大难度。 碳钢中的碳化物及其铁素体的形成是必须经过一个马氏体相变过程。对该相变机制的机制研究已有上百年的历史，迄今未有定论。这些基本问题的未解决严重影响了新钢种的开发和应用。该项目主要研究高强度贝氏体钢中纳米级析出相的结构和化学分析，试图通过对细小析出相的形成机制的研究探索出一条理解相变机制的新途径。本项目利用透射电子显微分析技术发现了体心立方{112}<111>型孪晶结构乃是碳钢马氏体相变后形成的最初组织，且孪晶界面上分布高密度细小(~1nm大小) ω相或ω-Fe颗粒。并通过理论计算，表明碳原子可以使ω-Fe稳定在{112}<111>型孪晶界面上。回火后形成的各种碳化物均与此ω相有关。碳钢中存在ω-Fe亚稳相，这一研究结果的科学意义是为理解碳钢中的贝氏体相变和马氏体相变的本质提供了最新的科学依据，同时为理解钢铁中千变万化的微观组织结构的演变提供了一个全新的思路， 可以帮助研究人员理解淬火成钢的基本科学原理。