清華大學材料學院Science Advances：化學界面工程——一種新的合金設計方法！

【背景介紹】

晶界工程是金屬材料合金設計的一個重要概念，可以同時提高材料的強度和塑性。然而，高密度晶界的高溫穩定性差，在熱處理過程中容易發生快速移動，無法限制后續相變產物從而細化最終組織。針對上述問題，清華大學科研人員提出了化學界面工程（Chemical boundary engineering, CEB）的概念，和晶界不同，化學界面處的成分不連續性會降低固態相變的局部驅動力，從而阻止相變的進行，達到細化組織的目的。科研人員將化學界面工程成功應用于低碳鋼中，實現了抗拉強度超過2GPa且保證可觀塑性的優異性能。

【成果簡介】

清華大學研究人員從相變角度出發，提出了一種實現合金高強高韌的新概念——化學界面工程（Chemical boundary engineering, CEB）。研究人員結合快速熱處理工藝，成功將此概念應用于低碳中錳鋼中。首先將兩相區退火完成后的中錳鋼（鐵素體+殘余奧氏體組織）快速加熱到奧氏體單相區然后直接冷卻到室溫。由于原鐵素體和殘余奧氏體界面存在Mn元素的不連續性，利用快速加熱技術可以保證在高溫奧氏體相區下形成尖銳的、厚度在幾個納米尺度的化學界面。此化學界面使得冷卻過程中的馬氏體相變限制于亞微米的區域，同時對未轉變的奧氏體產生大量的相變應變，因此最終組織為超細馬氏體+納米孿晶奧氏體。堅硬的馬氏體網絡基體提供了超高的屈服強度而殘余奧氏體的TRIP效應保證了可觀的塑性。這一新奇的組織極大地提高了中錳鋼的強度和塑性，實現了抗拉強度2GPa、塑性超過20%的優異性能。

【圖文導讀】

圖1 相界、晶界和化學界面的比較示意圖

（A）PB：相界，不同晶格類型的晶粒間的界面

（B）GB：晶界，相同晶格類型但不同晶體學取向的晶粒間的界面

（C）CB：化學界面，晶粒內部化學成分不連續的界面。化學界面處不存在晶體結構或晶格取向的變化。

圖2 利用化學界面工程策略處理前后的組織

（A）兩相區退火完成后的EBSD組織表征：紅色代表FCC相（殘余奧氏體），此圖表明兩相區退火完成后的組織為等軸的奧氏體和鐵素體；

（B）快速加熱和淬火過程中組織演變的示意圖：化學界面存在于完全奧氏體化后的組織中（B₂），化學界面會阻礙馬氏體相變，其影響主要體現在淬火后的組織中（B₃）；

（C）利用化學界面工程策略處理后的EBSD組織表征：紅色代表FCC相（殘余奧氏體），此圖表明兩相區退火完成后的組織為奧氏體和馬氏體；

（D、E） 兩相區退火完成后，奧氏體和鐵素體中Mn元素分布的TME-EDS表征

（F、G） 快速加熱淬火后，奧氏體和馬氏體中Mn元素分布的TME-EDS表征

（H、I） 兩相區退火完成后，奧氏體和鐵素體中Mn元素分布的3D-APT表征

（J、K） 快速加熱淬火后，奧氏體和馬氏體中Mn元素分布的3D-APT表征

圖3 力學性能

（A）成分為Fe-0.18C-8Mn（%）中錳鋼的力學性能：ART表示兩相區退火處理的樣品；CBE表示利用CBE策略處理的樣品；Refined CBE表示組織細化處理的CBE樣品；

（B）成分為Fe-0.2C-8Mn-0.2Mo-0.05Nb（%）中錳鋼的力學性能：Micro-alloyed ART表示兩相區退火處理的微合金化樣品；Micro-alloyed CBE表示利用CBE策略處理的微合金化樣品；

（C）力學性能的比較

【總結】

本研究表明，化學界面工程（CBE）作為一種新型的合金設計方法，可以達到和晶界工程相媲美的組織調控目的，同時解決晶界工程中晶界熱穩定性差的問題，為金屬材料的性能錦上添花！

【文獻信息】

Chemical boundary engineering: a new route towards lean, ultrastrong yet ductile steels （Science Advances, 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aay1430）