研究背景
析出強化是金屬材料中實現強度提升的重要手段。然而，傳統的析出強化機制存在著一些挑戰，其中包括Orowan環繞機制導致的位錯堆積和應力集中，容易引發材料脫粘和裂紋核形成，從而降低合金的延性和耐損載荷能力。為了攻克這一難題，中南大學王章維教授，宋旼教授和德國馬克斯普朗克研究所Dierk Raabe院士攜手提出了一種從Orowan環繞到位錯切割的新范式，以應對傳統強化機制所面臨的問題。他們在一種由B2金屬間化合物強化的輕質復雜組分鋼中實現了這一突破，通過實現足夠高的基體應力水平，使得原本脆性的B2相能夠被位錯剪切，從而實現了合金的強度和延性的兼顧。該研究為開發強韌金屬材料提供了新的思路和路徑。以上成果在“Science”期刊上發表了題為“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”的最新論文。
科學貢獻
圖1展示了CCS的微觀結構及其組成。X射線衍射圖譜（圖1A）和電子背散射衍射（EBSD）相圖（圖1B）揭示了CCS具有雙相結構，由B2沉淀物和FCC奧氏體基體組成。EBSD反極圖（圖1C）顯示，再結晶區域占總面積的77%，而非再結晶區域占23%。低角度暗場透射電子顯微鏡（LAADF-STEM）圖像（圖1D）展示了B2顆粒在再結晶和非再結晶區域中的均勻分布。高角度暗場透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像（圖1E）和能量色散X射線光譜（EDS）分析表明，B2沉淀物富含Ni和Al。圖1F的高分辨率HAADF-STEM圖像和快速傅立葉變換（FFT）圖案顯示了B2相具有有序的BCC結構。SAED圖案（圖1G插圖）揭示了在奧氏體基體內形成了L’12型（有序FCC）LCO，其在HAADF-STEM圖像中通過逆FFT圖像進一步展示（圖1H）。原子探針層析成像揭示了B2納米沉淀物及其周圍奧氏體基體之間的元素分配（圖1I）。圖1J提供了每個相的化學組成的定量分析，而圖1K的頻率分布分析顯示了元素在奧氏體中的均勻分布。總之，圖1全面揭示了CCS的復雜微觀結構和元素分布特征，為進一步理解該材料的性能提供了重要信息。 通過本研究，作者針對輕質復雜組分鋼（CCS）在近似液氮溫度下的低溫機械性能進行了深入的探究。在圖2中，作者展示了CCS的顯著機械性能，其具有超高的屈服強度和極限抗拉強度，并且在高強度條件下表現出了驚人的延伸率。該高屈服強度主要源自固溶相關摩擦應力的顯著增加，同時沉淀強化也對強度有相當貢獻。此外，作者觀察到CCS具有顯著的應變硬化能力，在塑性變形過程中強度顯著增加，超越了9Ni鋼等傳統材料。這些結果突顯了CCS的潛力，表明其在低溫環境中可能是一種有前景的結構材料替代品。圖3進一步解釋了CCS在低溫條件下的變形機制。通過在不同工程應變下對CCS進行變形亞結構的研究，作者觀察到了位錯滑移與LCO和B2納米沉淀物之間的相互作用。在低應變下，作者觀察到了典型的位錯滑移，而高分辨率透射電子顯微鏡觀察揭示了LCO對位錯活動的影響。進一步的幾何相分析顯示，位錯與LCO的相互作用導致了原子應變場的增加，進而增強了應變硬化效應。與傳統的Orowan環繞相反，作者觀察到了位錯滑移引起了B2納米顆粒的切穿，進一步強調了CCS在高強度FCC基體中的非凡表現。這些發現為開發低溫環境中高性能結構材料提供了重要的參考，并且為CCS作為潛在的替代品提供了更深入的理解和應用前景。在研究中，作者進行了一系列實驗來揭示輕質復雜組分鋼（CCS）在低溫環境下的變形機制。在圖4中，作者觀察到了在中等拉伸應變（10%）下B2顆粒內部的切割機制。通過高分辨率電子顯微鏡圖像，他們發現B2顆粒被位錯滑移穿過，并與周圍奧氏體基體形成了特定的取向關系。此外，作者觀察到了在奧氏體-B2界面上形成的臺階，其尺寸與位錯數量和堡格矢量相關。此外，他們還檢測到了大量的堆垛錯和納米孿晶，這些是低溫條件下形成的關鍵發現。這些結果揭示了在低溫下，CCS的變形機制主要涉及到位錯滑移、臺階形成以及堆垛錯和納米孿晶的生成，這與室溫下完全受位錯滑移控制的情況不同。這一研究為作者深入理解輕質復雜組分鋼在極端條件下的性能提供了重要見解。
總結展望
本研究揭示了傳統結構材料設計中的一個重要原則的范式轉變。以往，人們普遍認為脆性、不相容和無法剪切的金屬間化合物在沉淀硬化過程中只能起到一定的強化作用，但限制了材料的延展性。然而，本研究通過對B2金屬間化合物及其周圍奧氏體基體的結構和變形機制的深入探究，發現了一種新的范式。通過在金屬基體中引入局部化學有序區域（LCO）和大量固溶強化，成功地改變了B2顆粒周圍的變形機制，從傳統的Orowan環形滑移和位錯堆積轉變為顆粒切割。這種新的變形機制為金屬合金的設計提供了全新的思路，使得本來脆性的金屬間化合物也能夠在材料強度大幅提升的同時保持一定的延展性。因此，本研究拓展了材料設計的可能性，為開發更高性能的金屬材料提供了新的思路和方法。 Feng Wang et al. ,Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels.Science384,1017-1022(2024).DOI:10.1126/science.ado2919
