马普所《Scripta Materialia》：纳米析出G相与奥氏体的取向关系

G相是一种金属间硅化物，具有复杂的立方晶体结构(空间群Fmm，晶格参数约为1.1 nm)，化学式可用M₆X₁₆Si₇表示，其中M和X表示多种可能的金属。G相可以在各种钢中析出，其中M=Ti、Mn、Cr和X=Ni、Fe是最常见的组合。在经过热处理的双相钢中，相在铁素体相中析出，呈立方对立方取向关系。晶界上较大的G相与脆性有关，但位错上G相的析出能够提高强度和抗蠕变性。因此，G相在铁素体和双相不锈钢中十分重要。现有研究已经提出G相与奥氏体之间存在一定取向关系，但是大多数报道没有说明优先取向关系，G相的取向关系和析出过程经常被混淆或错误识别。

德国马克斯-普朗克研究所的一项最新研究通过透射电镜（TEM）内的扫描纳米电子束衍射（NBED）阐明离子辐照奥氏体中纳米级（10-20nm）G相析出相的取向关系。相关论文以题为“Investigation of the orientation relationship between nano-sized G-phase precipitates and austenite with scanning nano-beam electron diffraction using a pixelated detector”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113930

本文使用的奥氏体钢为Fe-15Ni-15Cr-1.8Mn-1.2Mo-0.5Ti-0.6Si-0.1C，晶粒尺寸为10-15μm。检测过程中的一个挑战是衍射图既包含微小析出相的弱信号，又有析出相上方和下方基体的强信号，本文通过试验表明，使用ASTAR系统进行NBED数据收集的常规方法对检测微弱的G相反应不灵敏。因此最终选择使用快速TEM CAM-XF416像素化CMOS检测器采集衍射数据。

图1 使用3种方法检测到10-20nm的G析出相的存在

图2 数据收集过程和探索说明

图3 应用MTEX对定向结果进行分析

研究发现了G相析出在FCC向BCC转变的奥氏体特征中遵循一定取向关系，奥氏体中G相的形成方式与铁素体或马氏体的形成方式相似，尽管G相和奥氏体的空间群相同(空间群Fmm)，但G相晶格最接近铁素体的上部结构，将BCC铁素体的一个4×4×4单体转化为G相晶胞只需要移动少量的原子。如果G相的结构类似BCC单体，则意味着相的形成必须与FCC晶格的四方变形和旋转有关，类似奥氏体向铁素体转变，这解释了取向关系的相似性。对于除最小粒子外的所有粒子，这些应变都必须由析出相中的界面位错或孪晶容纳，这些位错或孪晶在很大程度上决定了析出相的形貌和惯习面。

图4 G相形貌详细图

本文使用像素探测器通过NBED在FCC向BCC转变的奥氏体中发现了G析出相的取向关系。只有通过高信噪比和高动态范围的CMOS像素探测器才能解决G相的微弱衍射问题。通过本文方法可以提供给密度泛函理论或分子动力学模拟，以研究能量变化，界面和点缺陷之间的相互作用。该技术有望用于研究其他材料中复杂纳米级析出相。（文：破风）