随着现代工业和科学技术的不断发展,提高钢铁材料的强度成为了备受关注的课题。析出强化是提高钢铁材料强度的一种重要的方式。Fe-Cu钢时效过程中析出了纳米级的富Cu相,具有明显的析出强化效果。当Fe-Cu钢中复合添加Ni、Al、Mn元素时,Fe-Cu-Ni-Al-Mn钢中含有多元强化相,析出强化更明显,研究复合析出强化,对发展高强度钢有重要意义。本文采用维氏显微硬度(VHN)、光学显微镜(OM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和原子探针层析技术(APT)等测试手段,结合析出动力学,分析了Fe-1.5 wt.%Cu、Fe-1.5 wt.%Cu-2 wt.%Mn、Fe-1.5 wt.%Cu-3 wt.%Ni-1wt.%Al和Fe-0.95 wt.%Cu-3.13 wt.%Ni-1.09 wt.%Al-1.87 wt.%Mn四种钢中强化相的析出过程,研究了钢中富Cu相和Ni(Al,Mn)相共存时,影响强度的规律和机理。主要研究结果和结论如下:(1)Mn影响钢中富Cu相析出的规律和机理。等温时效过程中,Fe-Cu-Mn钢比Fe-Cu钢先达到硬度峰值,过时效阶段Fe-Cu-Mn钢的硬度下降速率大于Fe-Cu钢,表明添加Mn元素加速了析出强化的进程;APT结果显示,时效初期,Fe-Cu-Mn钢比Fe-Cu钢中富Cu相的数量密度高,时效后期,Fe-Cu-Mn钢比Fe-Cu钢中富Cu相的尺寸大,数量密度低,表明Mn元素的添加加快了富Cu相的形核、长大和粗化速度。Mn降低了富Cu相与基体之间界面能,增加了形核的化学成分驱动力,因此提高了富Cu相的形核速率;Mn元素的添加改变了Cu的化学位,加速了Cu的扩散速率,从而加速了富Cu相的长大和粗化。随着时效时间的延长,富Cu相会由bcc结构向fcc结构转变,此转变过程中会产生缺陷,大量的Mn原子偏聚于缺陷处,富CuMn相会发生调幅分解,最终形成了片状富Cu相和片状富Mn相的交替排列的层状结构。(2)NiAl相影响钢中富Cu相析出的规律和机理。等温时效过程中,Fe-Cu-Ni-Al钢峰值硬度比Fe-Cu钢高,硬度峰值持续时间长,Ni、Al的加入增强了析出强化效果。相同的时效时间,Fe-Cu-Ni-Al钢中析出相的尺寸均小于Fe-Cu钢,数量密度均大于Fe-Cu钢。Ni、Al的加入提高了时效初期富Cu相形核率,富Cu相与α-Fe基体的界面为NiAl相的形核提供了质点和能量,形成了富Cu相在核心,NiAl相包裹在其外侧的核壳结构,这种结构使得析出相比较稳定,不易长大和粗化,从而保持良好的析出强化效果。随着时效时间的进一步延长,富Cu相和NiAl相发生了分离,显微硬度下降。(3)时效过程中,Fe-Cu-Ni-Al-Mn钢中首先析出了球形的富NiAlMnCu团簇,随着时效时间的延长,富NiAlMnCu团簇分解为富Cu相和Ni(Al,Mn)相,而且这两个析出相相互依存。Fe-Cu-Ni-Al-Mn钢时效过程中析出相的演化过程为:富NiAlMnCu团簇?Ni(Al,Mn)相和富Cu相。不论是Mn的加入,还是Ni,Al的加入都加速了富Cu相的形核,只是,Mn的加入促进了富Cu相的长大和粗化,Ni,Al的加入在一定程度上抑制了富Cu相的长大和粗化,因此四种钢形核速度依次为:Fe-Cu-Ni-Al-Mn>Fe-Cu-Ni-Al>Fe-Cu-Mn>Fe-Cu;长大速度依次为:Fe-Cu-Mn>Fe-Cu>Fe-Cu-Ni-Al>Fe-Cu-Ni-Al-Mn;粗化速度为:Fe-Cu-Mn>Fe-Cu>Fe-Cu-Ni-Al-Mn>Fe-Cu-Ni-Al。(4)钢中两相区富Cu相和Ni(Al,Mn)相的析出特征。Fe-Cu-Ni-Al-Mn钢淬火后不可避免存在残余奥氏体,500℃时效1 h后,用APT观测到残余奥氏体中没有析出相,马氏体和马氏体/残余奥氏体界面处均有析出相的析出,马氏体中靠近界面处有一层析出贫化区。界面处析出相的等效半径和间距均大于马氏体中的析出相,界面处富Cu相和NiAl相中Cu,Ni和Al的含量均大于马氏体中的富Cu相和NiAl相,而且界面处富Cu相和NiAl相的分离趋势要大于马氏体,这是因为界面处存在大量缺陷,促进了析出相的长大,使得界面处和马氏体中的析出相处于长大的不同阶段。