《Materials Science and Engineering: A》：Additivity laws for dual precipitation strengthening in alloyed steels: mechanism-driven superposition principles
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纳米析出物协同强化机制研究在Cu-V钢中系统揭示，450℃时效纳米Cu主导强化遵循最大叠加模型，650℃时Cu-VC析出物尺寸相近通过位错环协同强化，证实强化叠加规律取决于析出物尺寸分布及强化机制。
赵思佳|丁芳琳|赖伟强|胡斌|罗海文
北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083，中国
摘要 近年来，通过同时添加多种沉淀形成元素来协同优化材料性能的策略受到了广泛关注。然而，对于多种沉淀相共存时强化效应的叠加规律，目前仍缺乏共识。叠加模型的选择在很大程度上依赖于经验判断，缺乏系统的实验验证。我们研究了仅 Cu 含量不同的 Cu-V 钢和 V 钢的沉淀硬化现象。通过定量评估这两种钢中 Cu 和 VC 纳米沉淀物的单独强化贡献，确定了它们对屈服强度的联合影响。在 450 °C 时效处理后，Cu 纳米沉淀物（1?3nm）主导了硬化过程，其强化作用远大于较粗的 VC 沉淀物（约 10nm）。因此，Cu-V 钢的总沉淀硬化效应主要受 Cu 的影响，遵循强化加性的最大值模型。相比之下，在 650 °C 时效处理后，VC 和 Cu 沉淀物达到相似的大小（10?15nm），并通过位错环化机制共同强化了钢材。这些发现清楚地表明，多沉淀体系中的强化叠加规律并非固定不变，而是取决于沉淀物的尺寸分布及其相应的强化机制。
引言 沉淀硬化与固溶强化、晶粒细化和位错强化一起，在增强结构合金方面发挥着核心作用 [1]、[2]、[3]。通过调整合金成分和优化热处理参数，可以协同控制纳米级沉淀物的尺寸、分布和体积分数。只有当位错运动受到高密度细分散纳米颗粒的有效阻碍时，才能实现显著的强化效果 [4]、[5]、[6]。尽管增加合金含量可以提高沉淀物比例和强化效果，但这种方法会提高材料成本并加速沉淀物粗化，后者可能会减弱强化效果。
另一种策略是使用具有不同成分和晶体结构的多种纳米颗粒，这比单一沉淀体系能提供更有效的强化 [7]、[8]、[9]、[10]、[11]。不同的沉淀相在晶体结构、化学成分和沉淀动力学方面存在显著差异，这有利于形成多尺度分布。此外，某些沉淀物可以通过不同的机制（如颗粒剪切或 Orowan 环化）强化基体，从而通过互补的强化机制实现协同效应。例如，Ding 等人 [12] 报告称，在中锰钢中 Cu 和 NiAl 的共沉淀使屈服强度提高了 205 MPa，而单独的 NiAl 仅提高了 80 MPa；Jiao 等人 [13] 发现，在一种高强低镍钢中，由于 NiAl（1–2 nm，被位错剪切）和 (Mo, W)C（80 nm，被位错环化）的共沉淀，屈服强度提高了 520 MPa。因此，揭示共存沉淀物如何共同增强强化的叠加规律是合理合金工程的关键。
已经提出了几种模型来结合多种沉淀物的强化贡献，包括均方根（RMS）模型、线性叠加（LS）模型和最大值替代（MAX）模型 [14]、[15]、[16]、[17]。然而，由于对潜在物理机制的理解不完整，目前尚不存在一个通用的框架来预测多沉淀体系中的总强化增量。本研究不同于以往仅跟踪单一或双重沉淀动力学（Cu 富集和/或 VC）在 550?650°C 等温奥氏体向铁素体转变过程中的研究 [18]、[19]；相反，它关注的是淬火和时效处理后的最终沉淀物特性。通过调整合金成分和热处理参数，我们在单相基体中实现了 VC 和 Cu 富集相的随机、独立沉淀，避免了以往研究中报道的 Cu 和 VC 成行共沉淀现象 [18]、[19]。这种设计使我们能够系统地评估在不同尺寸范围和相互作用机制下哪种屈服强度叠加模型适用，从而为高强度钢的开发提供通用指导。
材料制备 本研究探讨了不同沉淀物的强化贡献如何结合，并研究了其背后的物理机制。为此，我们使用 CALPHAD 软件设计了两种成分经过精心控制的钢材。一种为 V 钢，其组成为 Fe-0.053C-2.98Mn-1.23Si-0.25V（除非另有说明，均为重量百分比）；另一种为 V-Cu 钢，其组成为 Fe-0.053C-2.99Mn-1.22Si-0.25V-1.53Cu。这两种钢材的设计均满足以下要求。(i)
临界转变温度 使用 Thermo-Calc 热力学软件计算的 V 钢和 Cu-V 钢的平衡相图如图 2a 所示；图 2b 显示了使用 DIL805ADT 伸长仪测得的温度变化下的膨胀曲线。根据这些数据，可以确定所有临界转变温度，并在表 1 中进行总结。这两种设计钢材的实际成分显示 V 与 C 的摩尔比约为 1.1:1。结合图 2 中的 Thermo-Calc 模拟结果量化各种强化贡献 时效处理后的屈服强度增量并非实际的沉淀硬化增量，而是由所有可能影响屈服强度的因素共同作用的结果，包括位错变化、晶粒细化、固溶强化和残余应力，如方程 1 [16] 所描述。因此，必须量化每种因素对屈服强度的贡献。
