Science Advances：纳米双析机制实现轻质超强成分复杂钢

成果简介

新型轻质高强钢的设计对于应对节能减排这一全球问题，有着至关重要的作用。目前最受关注的轻质钢为Fe-Mn-Al-C钢。这一系列的轻质钢通过高含量的Al来实现低密度，通过在奥氏体基体中诱导共格κ碳化物或者非共格B2金属间化合物的析出来实现高强度。共格的κ碳化物在变形过程中会被位错切过，对塑性有利，但其加工硬化效应有限。非共格的B2析出相能阻挡位错切过，实现奥罗万强化机制，从而得到较高的加工硬化和抗拉强度。由于B2金属间化合物脆性的本质局限，利用其进一步提高强度需以较大程度地牺牲塑性为代价。因此，超高强度轻质钢的设计遇到了瓶颈问题。

高熵合金（high-entropy alloys）或者叫成分复杂合金(compositionally complex alloys)这一颠覆性合金设计理念的出现，为克服这一瓶颈问题提出了新的方向。高熵合金提供了广阔的成分设计空间，使得开发出之前无法实现的相组分成为可能。德国马普钢铁研究所的王章维博士、逯文君博士、Dierk Raabe教授、中南大学的李志明教授等合作研究，通过引入高熵合金这一理念，重新设计传统轻质钢，充分结合高熵合金与轻质钢的各自优势，开发出了一种全新的复杂成分轻质钢（compositionally complex steels, CCSs）。这种钢的成分为：Fe-26Mn-16Al-5Ni-5C （at.%），融入了高熵合金多主元的特色，具有五种主元并且各个主元的含量不低于5 at.%，突破了传统轻质钢的局限，实现了独一无二的B2和κ碳化物两种纳米相的同时析出（即称为“纳米双析”），同时还拥有轻质钢低密度（6.6g/cm³）和低成本的优势。

成分复杂轻质钢中的B2和κ碳化物双析机制打破了传统轻质钢中析出相的形成路径。通常，纳米级别的 κ碳化物在中温区间（如450°C到650°C之间）经过长时间的退火才能形成。而在该研究设计的成分复杂钢中，纳米级别的κ碳化物在较高温度（800°C到900°C）经过3分钟短时间退火就可以形成。这是由于独特的双析相共生机制导致的。碳在B2析出相中基本没有固溶度，却富集在κ碳化物。因而，形成其中一种析出相必然驱动另一种析出相的形成。复杂成分轻质钢独有的共生纳米双析出相，能够同时利用两种析出相强化的优势。一方面，可被切过的共格κ碳化物析出相能够实现强度和塑性的优异匹配，另一方面，不可切过的B2析出相能提供巨大的强化作用。因此，该研究设计的成分复杂轻质钢拥有杰出的力学性能，抗拉强度可高达1.7GPa（对应比强度为260MPacm³g^-1）以及优异的塑性（拉伸延伸率为13%到38%）。其综合力学性能优于目前已有的轻质钢。该工作为新一代低成本的轻质高强材料的设计提供了一种新的 思路。

相关成果以Ultrastrong lightweight compositionally complex steels via dual-nanoprecipitation”为题发表在Science Advances。论文第一作者为王章维博士。通讯作者为王章维博士、逯文君博士和李志明教授。其他作者还包括赵欢博士、Christian H. Liebscher博士、何骏阳博士、Dirk Ponge博士和Dierk Raabe教授。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eaba9543.full

图文导读

图1. 800°C退火条件下的成分复杂钢的微观结构。

图2. B2相和κ碳化物双析出的原子尺度表征。

图3. 复杂成分钢的力学性能。

图4. 复杂成分钢在1.5%应变下的变形组织。

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