Science?Advances：納米雙析機制實現輕質超強成分復雜鋼

成果簡介

新型輕質高強鋼的設計對于應對節能減排這一全球問題，有著至關重要的作用。目前最受關注的輕質鋼為Fe-Mn-Al-C鋼。這一系列的輕質鋼通過高含量的Al來實現低密度，通過在奧氏體基體中誘導共格κ碳化物或者非共格B2金屬間化合物的析出來實現高強度。共格的κ碳化物在變形過程中會被位錯切過，對塑性有利，但其加工硬化效應有限。非共格的B2析出相能阻擋位錯切過，實現奧羅萬強化機制，從而得到較高的加工硬化和抗拉強度。由于B2金屬間化合物脆性的本質局限，利用其進一步提高強度需以較大程度地犧牲塑性為代價。因此，超高強度輕質鋼的設計遇到了瓶頸問題。

高熵合金（high-entropy alloys）或者叫成分復雜合金(compositionally complex alloys)這一顛覆性合金設計理念的出現，為克服這一瓶頸問題提出了新的方向。高熵合金提供了廣闊的成分設計空間，使得開發出之前無法實現的相組分成為可能。德國馬普鋼鐵研究所的王章維博士、逯文君博士、Dierk Raabe教授、中南大學的李志明教授等合作研究，通過引入高熵合金這一理念，重新設計傳統輕質鋼，充分結合高熵合金與輕質鋼的各自優勢，開發出了一種全新的復雜成分輕質鋼（compositionally complex steels, CCSs）。這種鋼的成分為：Fe-26Mn-16Al-5Ni-5C （at.%），融入了高熵合金多主元的特色，具有五種主元并且各個主元的含量不低于5?at.%，突破了傳統輕質鋼的局限，實現了獨一無二的B2和κ碳化物兩種納米相的同時析出（即稱為“納米雙析”），同時還擁有輕質鋼低密度（6.6g/cm³）和低成本的優勢。

成分復雜輕質鋼中的B2和κ碳化物雙析機制打破了傳統輕質鋼中析出相的形成路徑。通常，納米級別的 κ碳化物在中溫區間（如450°C到650°C之間）經過長時間的退火才能形成。而在該研究設計的成分復雜鋼中，納米級別的κ碳化物在較高溫度（800°C到900°C）經過3分鐘短時間退火就可以形成。這是由于獨特的雙析相共生機制導致的。碳在B2析出相中基本沒有固溶度，卻富集在κ碳化物。因而，形成其中一種析出相必然驅動另一種析出相的形成。復雜成分輕質鋼獨有的共生納米雙析出相，能夠同時利用兩種析出相強化的優勢。一方面，可被切過的共格κ碳化物析出相能夠實現強度和塑性的優異匹配，另一方面，不可切過的B2析出相能提供巨大的強化作用。因此，該研究設計的成分復雜輕質鋼擁有杰出的力學性能，抗拉強度可高達1.7GPa（對應比強度為260MPacm³g^-1）以及優異的塑性（拉伸延伸率為13%到38%）。其綜合力學性能優于目前已有的輕質鋼。該工作為新一代低成本的輕質高強材料的設計提供了一種新的 思路。

相關成果以Ultrastrong lightweight compositionally complex steels via dual-nanoprecipitation”為題發表在Science?Advances。論文第一作者為王章維博士。通訊作者為王章維博士、逯文君博士和李志明教授。其他作者還包括趙歡博士、Christian H. Liebscher博士、何駿陽博士、Dirk?Ponge博士和Dierk Raabe教授。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eaba9543.full

圖文導讀

圖1.?800°C退火條件下的成分復雜鋼的微觀結構。

圖2.?B2相和κ碳化物雙析出的原子尺度表征。

圖3.?復雜成分鋼的力學性能。

圖4.?復雜成分鋼在1.5%應變下的變形組織。

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