鋼中界面科學研究進展(Ⅱ)
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(shù)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：鋼中界面的化學成分、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和化學行為，主導(dǎo)控制鋼的力學、化學和加工性能。鋼中界面往往是鋼中新相的核點、變形的結(jié)點、裂紋的起點、腐蝕的源點。在一定程度上講，弄清鋼中界面科學問題，也就知道了鋼失效的本質(zhì)和提高鋼質(zhì)量的方向。在鋼中界面科學研究(Ⅰ)的基礎(chǔ)上，以鋼中界面為研究對象，詳細綜述了界面對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強度、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展方面起到的作用；重點關(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理以及應(yīng)用；分析了各種界面類型對抗氫脆性能的影響并簡述了界面在蠕變性能劣化中起到的作用。同時簡單介紹了機器學習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問題以及今后重點研究方向的建議。
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、化學腐蝕)暴露；可作為原子或離子快速擴散的通道，并容易引起溶質(zhì)或雜質(zhì)原子的偏聚；熔點低于晶粒；存在著許多空位、位錯和結(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優(yōu)先形核的區(qū)域。利用界面的一系列特性，通過控制界面組成、結(jié)構(gòu)和相態(tài)等來調(diào)控金屬材料的服役性能一直是材料科學工作者很感興趣的研究領(lǐng)域。
晶界按照重合位置點陣模型可以分為低-ΣCSL晶界(1≤Σ≤29)和隨機晶界(Σ>29)。低-ΣCSL晶界表現(xiàn)出對腐蝕、敏化、斷裂和溶質(zhì)偏聚等行為具有強烈的抑制作用，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引起材料性能發(fā)生改變。一方面，界面偏聚通常會降低界面的內(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，從而限制材料的實際使用，也可能強烈影響熱變形過程中晶粒的再結(jié)晶和相變進程。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。因此，通過對金屬材料的晶界結(jié)構(gòu)和局部化學成分進行控制和優(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化金屬材料，提高其使用性能。
本文在鋼中界面科學研究(I)的基礎(chǔ)上，以鋼中界面為研究對象，詳細綜述了界面對鋼相變行為和服役使用性能的影響，包括常規(guī)力學性能、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，同時簡單介紹了機器學習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之間的作用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。基于現(xiàn)有文獻成果，提出以下幾個未來研究方向建議。
(1)在鋼中，單一的細晶強化往往會造成塑性或韌性或多或少的損傷，而通過引入彌散分布的納米析出相或納米孿晶界面，既可豐富鋼的強化來源，還可通過調(diào)整多相界面結(jié)構(gòu)及界面的局部化學成分偏聚提高與基體的塑性變形協(xié)調(diào)性，以達到同時增強增塑或增韌的效果。同時從文獻成果還可知，層狀的界面結(jié)構(gòu)對性能的優(yōu)化更為有利。因此，在目前鋼成分素化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進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性能的一個重要發(fā)展趨勢，但在熱機械加工參數(shù)如變形量、溫度、應(yīng)變速率等方面還需進一步摸索。
(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斐然，然而在馬氏體鋼和貝氏體鋼方面的應(yīng)用相對較少，尤其是貝氏體鋼方面十分稀少，在晶界工程的熱機械加工處理工藝參數(shù)等方面還有待進一步開發(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調(diào)控材料的腐蝕、氫脆等性能，然而不同晶界類型對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差別的晶界組織特征，在保證力學性能的基礎(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)控也可作為未來的一個發(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一步摸索調(diào)控。
(4)目前文獻中對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)用還需要進一步系統(tǒng)的研究。由于它們的結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)和界面能不同，對這類異質(zhì)界面的處理與對晶界的處理不同。因此，需要在這一領(lǐng)域進行基礎(chǔ)研究，進一步闡明相界面偏聚的機理，以及如何利用和操縱相界面偏聚來提高力學性能。
(5)界面結(jié)構(gòu)、界面類型和界面上的局部化學成分都對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)一的標準來表征不同成分鋼種中界面與性能之間的關(guān)系。而機器學習作為一類從數(shù)據(jù)中自動分析獲得規(guī)律并利用規(guī)律對未知數(shù)據(jù)進行預(yù)測的算法，可有效解決試驗材料數(shù)據(jù)處理、界面篩選與性能預(yù)測方面的問題，是一個很有前途的研究方向。
