合金元素对铁基时效初期富铜析出相的影响

低合金高强度钢作为重要钢种，被广泛应用于石油天然气、铁道、交通、船舶、建设、电力、煤炭、石化等工业部门。富Cu团簇析出相是钢铁材料中一种重要的第二相，它在低合金高强度钢的强化上有着重要作用。依靠富Cu团簇析出相进行基底强化所设计出的低合金钢，不仅具有很高的强度，而且兼有冲击韧性、抗腐蚀性、焊接性等优良性能。但是，富Cu团簇析出相的形成机理尚不清楚，有关富Cu团簇析出相的研究仍是材料科学界的前沿问题之一。本项目将采用"三维原子探针实验技术"和"基于密度泛函理论的第一性原理计算"两种方法，研究Ni、Mn、Al等合金元素对铁基时效初期富Cu团簇析出相的影响。本项目的主要研究内容包含富Cu团簇析出相时效初期的实验表征、热力学驱动因素、动力学控制机制等。本项目的进展将会加深人们对富Cu团簇析出相的认识，为优化已有低合金高强度钢和设计新钢种提供重要理论基础。

本项目采用“三维原子探针实验技术”和“基于密度泛函理论的第一性原理计算”两种方法，研究了Ni、Mn、Al 等合金元素对铁基时效初期富Cu 团簇析出相的影响，较好地完成了项目的主要内容。 主要成果如下： 1. 通过无序合金的能量学与弹性性质的研究，理解了富Cu团簇中Ni的分布情况，揭示了富Cu团簇壳核结构的成因。 2. 发现由于Ni和Fe合金形成焓对成分函数的非对称性，Ni元素容易在Fe基中形成非均匀分布，Ni元素的富集区可以作为富Cu团簇的成核区。揭示了Ni能够促进富Cu团簇析出和提高富Cu团簇密度的微观机制。 3. 由第一性原理计算得到的偏聚能可用来描述Ni和Al的偏聚行为，通过对偏聚能的分析可以解释三维原子探针得到的很多实验细节; 揭示了Mn，Si的偏聚机制， 成功地解释了在热处理条件下和辐照条件下Mn和Si元素在富Cu团簇界面偏聚的不同行为。4. 探讨了元素偏聚对富Cu团簇界面的粘合力的影响，以及对基体韧脆性质的影响。通过该项目的研究，弄清楚了铁基中时效初期合金元素与富Cu团簇的相互作用机制，对优化已有低合金高强度钢和设计新钢种提供了重要理论基础。