在航空航天與精密模具領(lǐng)域，無鈷馬氏體時效鋼因兼具超高強度與韌性成為熱門材料，然而材料的微觀結(jié)構(gòu)演變與性能調(diào)控始終是技術(shù)突破的核心。光子灣科技深耕高端光學(xué)精密測量技術(shù)，正成為揭示材料相變機制的關(guān)鍵工具。本文將解析無鈷馬氏體時效鋼在雙輥薄帶鑄造中的微觀演變規(guī)律，展現(xiàn)光子灣科技共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）在材料熱處理研究中的前沿應(yīng)用。

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研究背景

雙輥薄帶鑄造（TRSC）通過102?104K/s級冷卻速率實現(xiàn)快速凝固，具減碳、節(jié)能優(yōu)勢，已應(yīng)用于碳鋼等領(lǐng)域，但在馬氏體時效鋼中研究空白。傳統(tǒng)含鈷馬氏體時效鋼成本高，無鈷化需解析“馬氏體→奧氏體” 相變機制，TRSC 的快速凝固特性與共聚焦掃描顯微鏡CLSM 原位觀察能力為研究提供新路徑。

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實驗方法：CLSM 揭秘動態(tài)相變過程

雙輥薄帶鑄造模擬器示意圖

實驗流程及共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）原位觀察系統(tǒng)

材料制備：采用真空熔煉制備無鈷馬氏體時效鋼，通過雙輥模擬器制備3.5mm 厚薄帶，冷卻速率邊緣達(dá) 2150℃/s，中心約 813℃/s，形成全板條馬氏體組織，Prior 奧氏體晶粒尺寸約 200μm。

原位觀察：利用共聚焦掃描顯微鏡對薄帶熱處理過程進(jìn)行實時監(jiān)測。加熱爐通過橢球腔聚焦鹵素?zé)魺嵩?，配合R 型熱電偶實現(xiàn) ±1℃溫控精度，可模擬 60℃/min 空冷與 600℃/min 水淬過程，捕捉奧氏體化（1150-1300℃）、固溶（880℃）及時效（530℃）階段的晶粒演變動態(tài)。

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實驗結(jié)果

1.快速凝固特征：偏析與組織形成

薄帶鑄態(tài)顯微結(jié)構(gòu)

熱力學(xué)計算表明，凝固過程中鎳、鈦元素因分配系數(shù)< 1 而在液相富集，鉬濃度先升后降，形成枝晶間微偏析。CLSM 觀察顯示，薄帶表面因極速冷卻形成 < 5μm 亞晶粒，中心區(qū)域因冷卻速率降低出現(xiàn)二次枝晶，整體消除宏觀偏析但保留枝晶間鎳、鉬富集特征。

2.奧氏體化：晶粒尺寸的溫度依賴性

奧氏體化原位觀察

奧氏體化實驗發(fā)現(xiàn)，保溫溫度≥1200℃時晶粒顯著粗化。1250℃保溫 250s 后，奧氏體晶粒尺寸達(dá) 224μm，接近薄帶鑄造原始晶粒（200μm），表明高溫奧氏體化可有效復(fù)現(xiàn)快速凝固組織。CLSM 原位記錄顯示，相變初期因體積變化產(chǎn)生表面褶皺，隨后奧氏體晶界逐漸清晰，淬火后形成板條馬氏體，驗證了相變動力學(xué)與晶粒遺傳機制。

3.固溶處理：細(xì)晶奧氏體的形成

共聚焦激光掃描顯微鏡固溶過程CLSM觀測

固溶處理（880℃）因加熱溫度較低，抑制晶粒生長，形成約 8μm 細(xì)晶奧氏體。CLSM 觀察發(fā)現(xiàn)，枝晶間鎳富集區(qū)因奧氏體自由能低而優(yōu)先形核，形成 “類枝晶” 奧氏體分布，表明微偏析特征在固溶過程中持續(xù)影響組織演變。

4. 時效過程：雙相結(jié)構(gòu)的起源

時效處理（530℃）中，枝晶間鎳、鉬富集區(qū)促使馬氏體逆轉(zhuǎn)變形成 2-8μm 細(xì)晶奧氏體。CLSM 動態(tài)監(jiān)測顯示，相變初期表面平滑，保溫 600s 后出現(xiàn)黑白交替條紋（奧氏體形成），空冷后奧氏體穩(wěn)定保留，形成“馬氏體 + 奧氏體”雙相結(jié)構(gòu)，體積分?jǐn)?shù)約9.5%。

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研究結(jié)論

微觀結(jié)構(gòu)演變機制示意圖

快速凝固遺產(chǎn)：薄帶鑄造通過 2150-813℃/s 冷卻速率調(diào)控枝晶結(jié)構(gòu)，消除宏觀偏析但保留鎳、鉬微偏析，為后續(xù)相變提供化學(xué)不均質(zhì)基底。

CLSM 的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：高溫奧氏體化可復(fù)現(xiàn)原始晶粒尺寸，固溶處理細(xì)化晶粒，時效過程中偏析區(qū)因奧氏體穩(wěn)定元素富集形成雙相結(jié)構(gòu)。

工程啟示：無鈷馬氏體時效鋼的 TRSC 工藝可通過CLSM 原位優(yōu)化熱處理參數(shù)，實現(xiàn)強度 - 塑性匹配，適用于航空航天結(jié)構(gòu)件、半導(dǎo)體精密模具等高端領(lǐng)域。

#Photonixbay.

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

從薄帶鑄造的極速凝固到時效過程的相變動力學(xué)，光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察能力破解了材料微觀演變的“黑箱”。在半導(dǎo)體晶圓缺陷分析、鋰電電極界面相變、光伏材料熱穩(wěn)定性評估等前沿領(lǐng)域，光子灣都能助力實現(xiàn)從“試錯研發(fā)” 到 “精準(zhǔn)設(shè)計” 的跨越。

感謝您本次的閱讀光子灣將持續(xù)為您奉上更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，與您共同進(jìn)步。

原文出處：《Phase transformation mechanism during heat treatment of Co-free maraging steel produced by twin-roll strip casting》

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