钢中界面科学研究进展(Ⅱ)

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：钢中界面的化学成分、晶体结构、电子结构及其在变形、加热等外部环境作用下的演变行为等都深刻影响着钢的力学和化学行为，主导控制钢的力学、化学和加工性能。钢中界面往往是钢中新相的核点、变形的结点、裂纹的起点、腐蚀的源点。在一定程度上讲，弄清钢中界面科学问题，也就知道了钢失效的本质和提高钢质量的方向。在钢中界面科学研究(Ⅰ)的基础上，以钢中界面为研究对象，详细综述了界面对钢相变行为和服役使用性能的影响。分析了相界及相界成分或析出物偏聚对奥氏体向铁素体转变、奥氏体向贝氏体转变和逆转奥氏体相变的影响；探讨了界面以及界面成分偏聚对强度、塑性和韧性的影响；阐述了孪晶界、相界以及夹杂物/基体之间的界面在疲劳裂纹萌生和扩展方面起到的作用；重点关注了晶界、孪晶界调控以及晶界偏聚调控提高耐腐蚀性能的机理以及应用；分析了各种界面类型对抗氢脆性能的影响并简述了界面在蠕变性能劣化中起到的作用。同时简单介绍了机器学习在界面研究方面的应用，并指出了钢在服役性能中面临的界面科学问题以及今后重点研究方向的建议。

关键词：界面；相变；疲劳；腐蚀；蠕变；氢脆

1 引言

界面上由于原子排列不规则而造成结构比较疏松，因而也使其具有一些不同于体相晶粒的特性，如易受腐蚀(热侵蚀、化学腐蚀)暴露；可作为原子或离子快速扩散的通道，并容易引起溶质或杂质原子的偏聚；熔点低于晶粒；存在着许多空位、位错和结合键变形等缺陷，使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使得界面成为相变时优先形核的区域。利用界面的一系列特性，通过控制界面组成、结构和相态等来调控金属材料的服役性能一直是材料科学工作者很感兴趣的研究领域。

晶界按照重合位置点阵模型可以分为低-ΣCSL晶界(1≤Σ≤29)和随机晶界(Σ>29)。低-ΣCSL晶界表现出对腐蚀、敏化、断裂和溶质偏聚等行为具有强烈的抑制作用，某些情况下甚至能够实现完全免疫，而随机晶界(Σ>29)因具有低的结构有序度、大的自由体积和高的界面能，常成为裂纹萌生的核心和扩展的通道。除了晶界本身结构的不同，溶质/杂质原子在界面上的偏聚也会引起材料性能发生改变。一方面，界面偏聚通常会降低界面的内聚力，导致在服役条件下发生脆性晶间断裂，降低抗腐蚀能力，从而限制材料的实际使用，也可能强烈影响热变形过程中晶粒的再结晶和相变进程。另一方面，界面偏聚可以稳定纳米晶材料中的晶粒尺寸，并可用于界面设计。因此，通过对金属材料的晶界结构和局部化学成分进行控制和优化以改善材料的晶界相关性能，是一种行之有效的方法。此外，界面与位错之间的交互作用既可导致损伤形核，又可阻止损伤形成。损伤的形成会导致金属材料发生裂纹萌生、脆性敏感性等，损害部件的服役寿命，相反，阻止损伤形成则可强化金属材料，提高其使用性能。

本文在钢中界面科学研究(I)的基础上，以钢中界面为研究对象，详细综述了界面对钢相变行为和服役使用性能的影响，包括常规力学性能、疲劳性能、耐腐蚀性能、高温蠕变性能以及抗氢脆性能的影响，同时简单介绍了机器学习在界面研究方面的应用。

2 精选图表

3 展望

钢中的界面数量、类型、界面偏聚以及界面与位错之间的作用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。基于现有文献成果，提出以下几个未来研究方向建议。

(1)在钢中，单一的细晶强化往往会造成塑性或韧性或多或少的损伤，而通过引入弥散分布的纳米析出相或纳米孪晶界面，既可丰富钢的强化来源，还可通过调整多相界面结构及界面的局部化学成分偏聚提高与基体的塑性变形协调性，以达到同时增强增塑或增韧的效果。同时从文献成果还可知，层状的界面结构对性能的优化更为有利。因此，在目前钢成分素化设计的基础上，进行纳米或微纳米尺度的层状多相多孪晶的微观组织调控是提升钢综合力学性能的一个重要发展趋势，但在热机械加工参数如变形量、温度、应变速率等方面还需进一步摸索。

(2)晶界工程在调控和优化单相奥氏体钢、超细晶铁素体或铁素体/马氏体钢以及奥氏体/铁素体不锈钢的组织和性能方面成绩斐然，然而在马氏体钢和贝氏体钢方面的应用相对较少，尤其是贝氏体钢方面十分稀少，在晶界工程的热机械加工处理工艺参数等方面还有待进一步开发和摸索。

(3)利用传统晶界工程通常是尽可能提高特殊晶界的比例来调控材料的腐蚀、氢脆等性能，然而不同晶界类型对材料腐蚀性能的影响有可能是相悖的，比如共格Σ3孪晶界面具有较强的抗晶间腐蚀开裂能力，然而在抗气蚀方面却表现较差，而利用增材制造方法则有可能在组织中制备得到无差别的晶界组织特征，在保证力学性能的基础上提高材料的抗腐蚀性能，因此去晶界特征化的晶界调控也可作为未来的一个发展方向，但在激光参数、内应力控制等方面还需要进一步摸索调控。

(4)目前文献中对相界偏聚的研究较少，偏聚理论(平衡偏聚和非平衡偏聚)在相界偏聚中的应用还需要进一步系统的研究。由于它们的结构、化学性质和界面能不同，对这类异质界面的处理与对晶界的处理不同。因此，需要在这一领域进行基础研究，进一步阐明相界面偏聚的机理，以及如何利用和操纵相界面偏聚来提高力学性能。

(5)界面结构、界面类型和界面上的局部化学成分都对材料的服役性能有着至关重要的作用，然而，由于界面本身的复杂多样性，很难找到统一的标准来表征不同成分钢种中界面与性能之间的关系。而机器学习作为一类从数据中自动分析获得规律并利用规律对未知数据进行预测的算法，可有效解决试验材料数据处理、界面筛选与性能预测方面的问题，是一个很有前途的研究方向。