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析出物對(duì)于制備機(jī)械強(qiáng)度高的金屬材料至關(guān)重要。

在此，中南大學(xué)王章維教授，宋旼教授和德國(guó)馬克斯-普朗克研究所Dierk Raabe院士等人報(bào)道了在低溫拉伸加載過(guò)程中，B2（有序體心立方）納米析出物（通常被認(rèn)為是不可剪切的金屬間化合物）在輕質(zhì)成分復(fù)雜鋼中的位錯(cuò)切割。其中，得益于亞納米級(jí)局部化學(xué)有序區(qū)的實(shí)質(zhì)性提升和基體中多主元素的明顯固溶強(qiáng)化，增強(qiáng)的奧氏體基體內(nèi)位錯(cuò)滑移使得剪切成為可能。這種機(jī)制不僅利用了其他不可穿透的脆性納米沉淀所提供的強(qiáng)烈強(qiáng)化和應(yīng)變硬化，而且還通過(guò)其持續(xù)變形的連續(xù)剪切引入了延展性。因此，本文制備鋼材料顯示了超高的低溫抗拉強(qiáng)度（高達(dá)2GPa），且拉伸伸長(zhǎng)率高達(dá)34%，從而揭示了一種設(shè)計(jì)高性能結(jié)構(gòu)材料的新策略。

相關(guān)文章以“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”為題發(fā)表在Science上。

通常情況下，合金的機(jī)械強(qiáng)度可以通過(guò)第二相的存在得到大幅提高。為了實(shí)現(xiàn)第二相的高度分散，亞穩(wěn)態(tài)固溶體在中等同源溫度下的淬火和老化是一種標(biāo)準(zhǔn)方法，這一過(guò)程被稱為析出硬化。自一個(gè)多世紀(jì)前應(yīng)用于鋁合金以來(lái)，一直是金屬材料強(qiáng)化的基礎(chǔ)。據(jù)了解，硬化效應(yīng)源于對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的抵抗力，即金屬材料中線性塑性具有的晶格缺陷。該過(guò)程可以通過(guò)分散相干顆粒來(lái)進(jìn)行，位錯(cuò)必須在較高應(yīng)力下通過(guò)這些顆粒，也可以通過(guò) Orowan環(huán)迫使位錯(cuò)繞過(guò)不可穿透的析出物，Orowan環(huán)是一種位錯(cuò)纏繞析出物的機(jī)制，也需要應(yīng)力增量。毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的顆粒粗化是老化過(guò)程中發(fā)生的一種過(guò)程，通常將機(jī)制從前者轉(zhuǎn)移到后者，即從位錯(cuò)切割到彎曲和循環(huán)，而在沉淀硬化合金體系中，反向轉(zhuǎn)變通常仍然難以捉摸。

然而，Orowan環(huán)機(jī)制雖然具有顯著的增強(qiáng)性，但與不可穿透顆粒周圍的位錯(cuò)堆積有關(guān)，這增加了由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致材料脫落的可能性。這種現(xiàn)象通常使基體和硬質(zhì)顆粒之間的界面容易發(fā)生裂紋成核，導(dǎo)致合金的延展順應(yīng)性和抗損傷承載能力大幅降低，這在單軸拉伸試驗(yàn)中通過(guò)其延展性進(jìn)行量化。因此，這種基本的權(quán)衡問(wèn)題引發(fā)了將相干納米沉淀物引入合金中的努力，以促進(jìn)有益的強(qiáng)度-延展性調(diào)節(jié)，輕質(zhì)鋼、高強(qiáng)度鋁合金和某些中熵或高熵合金（M/HEA）就是例證。

為了實(shí)現(xiàn)上述想法，本文引入了一種從Orowan環(huán)到位錯(cuò)切割的范式轉(zhuǎn)變，該材料由B2（有序體心立方體，BCC）金屬間化合物作為析出物強(qiáng)化。在拉伸變形過(guò)程中，B2相歷來(lái)被認(rèn)為是面心立方（FCC）合金中的不可剪切相，這一進(jìn)步使研究者能夠充分利用與位錯(cuò)彎曲相關(guān)的強(qiáng)化和應(yīng)變硬化效應(yīng)的潛力，同時(shí)通過(guò)這些析出物的位錯(cuò)切割來(lái)利用最終應(yīng)力松弛的延展性優(yōu)勢(shì)，展示了一種針對(duì)低溫應(yīng)用的輕質(zhì)成分復(fù)雜鋼（CCS），以應(yīng)對(duì)對(duì)運(yùn)輸部門和液體氣體能源載體分子存儲(chǔ)需求的激增，這也是全球能源供應(yīng)的新興基礎(chǔ)。

圖1.CCS的微觀結(jié)構(gòu)表征

具體來(lái)說(shuō)，本文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在分層結(jié)構(gòu)CCS的低溫變形過(guò)程中B2金屬間化合物的切割，其納米結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)包括B2金屬間納米析出物（~195 nm）和亞納米級(jí)（~5 ?）局部化學(xué)有序（LCO）區(qū)。其中，由高數(shù)量密度的LCO區(qū)（3.6×10¹⁷m^-2）提供的有序強(qiáng)化，與具有多個(gè)主元素的奧氏體基體的固溶強(qiáng)化相結(jié)合，產(chǎn)生了高于1GPa的摩擦應(yīng)力。

結(jié)果顯示，位錯(cuò)滑移所需的如此高的基質(zhì)應(yīng)力水平使得在近液氮溫度下的拉伸變形時(shí)，位錯(cuò)滑移通過(guò)強(qiáng)但通常脆性的B2相，這歸因于基體的位錯(cuò)流動(dòng)應(yīng)力變得如此之高，使得它能夠克服剪切B2顆粒所需的應(yīng)力勢(shì)壘。

圖2. CCS的低溫力學(xué)性能。

圖3：通過(guò)位錯(cuò)滑移LCO和B2顆粒得到的剪切。

圖4：低溫拉伸變形過(guò)程中CCS的微觀結(jié)構(gòu)演化。

綜上所述，在金屬合金中使用精細(xì)分散的第二相進(jìn)行析出物硬化是結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)的基本原則，本文報(bào)告了這一原則的范式轉(zhuǎn)變，揭示了脆性、不連貫和不可剪切的B2金屬間化合物可以通過(guò)LCO和大量固溶強(qiáng)化鄰近的奧氏體基體來(lái)實(shí)現(xiàn)韌性。這一范例是通過(guò)將B2顆粒周圍的變形機(jī)制從Orowan環(huán)和位錯(cuò)堆積改變?yōu)轭w粒剪切來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這種方法，本文為這一領(lǐng)域添加了一種新描述的變形機(jī)制，從而為在超高強(qiáng)度和韌性金屬合金中應(yīng)用金屬間相作為韌性強(qiáng)化特征提供了機(jī)會(huì)。

Feng Wang?, Miao Song?, Mohamed N. Elkot, Ning Yao, Binhan Sun, Min Song*, Zhangwei Wang*, Dierk Raabe*, Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2919

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中南大學(xué)，今日重磅Science！

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