钢中界面科学研究进展(Ⅰ)
张福成1,2，康杰3
(1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；2. 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室， 河北 秦皇岛 066004；3. 河北科技大学材料科学与工程学院， 河北 石家庄 050018)
摘要：钢中界面包括晶界、相界等，在结构和化学组成上与体相均有明显的差异，在能量上也具有特殊性，对钢的相变机理、服役性能等具有十分重要的影响。近年来，有关材料分析和测试手段得到快速发展，结合第一性原理和有限元模拟等技术和方法，人们对钢中界面科学问题有了进一步深入的认识，也使得这方面的研究内容更加丰富多彩，取得了众多成果。综述了钢中的微观固-固界面调控的国内外研究动态，界面类型涵盖单相钢中的晶界和多相钢中的相界。简要概述了钢中各种界面的形成机理，探讨了不同界面类型的能量差异、取向差异以及应力分布等；重点关注了界面数量调控、界面结构调控和界面偏聚调控，探讨了热处理工艺、变形方式和成型方式等界面调控手段对最终界面结构形成和化学成分偏聚的影响，介绍了先进技术手段在表征界面结构和界面成分偏聚上的应用；同时对界面与位错之间的相互作用模型及其对不连续屈服和加工硬化的影响也进行了简述。最后从界面调控方式、计算机模拟、技术表征手段等方面对界面的未来发展趋势进行了预测。
关键词：晶界； 相界； 孪晶界； 界面偏聚； 位错； 钢
1 引言
界面即两相的接触面，不是几何面，而是具有一定的厚度，因此有时又将界面称为界面相。界面层原子或分子所处的力场是不对称的，在能量上具有特殊性，比体相原子或分子要多一个表面能，从而造成界面是系统中的特殊部分。诚然，材料外部的表面状态，如加工的粗糙度和完整度、残余应力等对疲劳、磨损等性能具有重要影响，但这里更关注材料内部存在的微观界面，如晶界、相界、孪晶界、夹杂物/基体界面等，与宏观表面相比，这些微观界面从本质上决定了材料的整体性能，材料的断裂、硬化、脆化、腐蚀、疲劳失效等，均与材料的微观界面息息相关。因此，研究材料的微观界面对性能的影响具有十分重要的意义。
当体系中的物质被高度分散时，界面的作用会变得十分明显。超细晶、纳米晶和纳米孪晶材料的研发与应用正是利用界面效应原理，在有限质量的材料中制备更多的微观界面，实现性能的高质量提升和跨越。同时研究者们也早就意识到可以通过调控晶界本身的结构特性来改善优化金属材料的性能。晶界工程的中心思想就是通过一定的形变热处理工艺来调控材料的晶界特征分布，即提高材料微观组织中低重合位置点阵晶界的比例和隔断随机晶界网络的连通性，从而达到改善材料与晶界有关性能的目的。在晶界工程的基础上提出的界面偏聚工程，则是通过控制溶质原子来操控界面的能量、结构、移动性和融合性，甚至促进局部相变的一种界面控制方法。因此，有关界面结构和界面局部化学热力学和动力学的研究对于理解金属材料的相变机制和服役性能是十分重要的。本文着重讨论的金属材料为钢铁材料，而界面调控是实现钢铁材料素化设计和高质量发展的重要手段。
与单相钢中的晶界调控相比，多相钢由于相构成的多样性，相界以及相界偏聚调控往往更为复杂且难以精准控制。按照原子排布顺序的不同，界面通常分为共格、半共格和非共格界面，共格程度越低，界面能越低。常见的相界如奥氏体(γ)/铁素体(α)、奥氏体/马氏体(αM)、奥氏体/贝氏体铁素体(αBF)等均属于半共格界面。Chen H等结合试验和模拟对相界的迁移以及溶质原子在相界附近的偏聚情况对γ转变成α的相变动力学的影响进行了分析。析出相/基体之间的界面共格程度相对多样化，但出于性能优化的考虑，更希望获得共格界面，以最小化界面能和界面两侧相的晶格错配程度。JIANG S等通过与基体最小晶格错配的高密度纳米析出相来设计超强马氏体时效钢，在不牺牲塑性的前提下强化了合金。夹杂物/基体界面属于相界中比较特殊的一类，在炼钢和铸造过程中产生，形成的非金属夹杂与基体之间存在较大的热性能和弹性性能的差异，易产生应力集中，导致氢致裂纹、疲劳裂纹、点蚀等在该界面上产生，从而劣化钢的性能。
本文主要围绕钢中的微观固-固界面调控的最新研究进展来进行评述，然而，关于钢中界面方面的内容非常庞大、研究成果也非常多，无法做到面面俱到，这里主要包括单相钢中的晶界、多相钢中的相界。文中将从界面形成(晶界和相界)、界面调控(界面数量调控、界面结构调控和界面偏聚调控)、界面与位错的相互作用和对界面未来发展趋势的展望4部分展开。
2 精选图表
3 展望
钢中界面显著影响着钢的力学、化学以及物理性能，因此，近年来，钢中界面科学问题的研究越来越受到材料学者的重视。然而相较于体相中较为规则的原子排布和结构，钢中界面结构和界面能量存在着特殊性和多样性，同时，由于这种结构和能量的特殊性使得其易作为溶质/杂质原子或位错缺陷的偏聚或扩散地，这些都为弄清界面问题加大了难度。基于现有文献成果，提出以下几个未来研究方向的建议。
(1)传统晶界工程的控制手段一般为冷轧/拉伸/冷拉变形+高温退火的工艺，然而其工艺参数不好控制，耗时时间较长，且在制造一些大型异型部件时存在一定的局限性，而激光增材制造工艺利用高精度激光作为能量介质，能够处理空腔、薄壁等复杂空扭转体和相互较长的管路，成型部件经过简单处理后即可直接应用，可用其作为调控晶界特征工程的强有利手段，但在激光参数、内应力控制等方面还需要进一步摸索调控。
(2)位错与晶界和界面相互作用的复杂性需要结合试验、计算和建模等多尺度多方法开展研究，以桥接重要的时间和空间长度尺度。对于跨晶界和界面的滑移转移情况，从孤立的晶界相互作用转移到自由表面和内部涉及多个晶粒的相互作用都需要在试验能力、计算方法和理论方法方面取得进展。
(3)先进技术在表征晶界偏聚现象时缺乏足够的统计性，虽然原则上能够提供某些晶界偏聚信息，但大多数方法在单独使用时缺乏晶体学细节、化学分辨率和/或空间分辨率。此外，由于存在大量不同的晶界(需要5个独立的晶体学参数来描述晶界)，因此获得的统计数据很少具有足够的可置信度。因此需要通过结合APT/TEM或者APT/EBSD，提供原子级化学偏聚和在相同样品位置受影响的晶界相关结晶学的互补表征，也就是从多尺度层面结合多种技术手段来表征晶界及晶界偏聚的结构和化学特性。同时，由于晶界本身的弯曲形状，对TEM/APT试样的精确制备也存在较大挑战。
(4)传统的界面设计是经验式或炒菜式地去发现界面的作用，以后的发展趋势之一是在清楚界面作用的基础上，以界面为导向和中心，将晶界或相界作为基元来设计新材料或新工艺。
