研究背景

長(zhǎng)期以來(lái)，鋼鐵材料以其優(yōu)異的機(jī)械性能和低廉的價(jià)格在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和人民生活中起著不可或缺的作用。然而，隨著近年來(lái)節(jié)能減排成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重中之重，作為降低能耗最為直接有效的途徑，交通工具的輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的新共識(shí)。因此，開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)異且適合規(guī)模生產(chǎn)的新型鋼材不僅是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輕型化設(shè)計(jì)的前提條件，而且市場(chǎng)需求潛力巨大。

孿晶鋼具有卓越的成形性能、抗拉強(qiáng)度（800-1000MPa）和均勻延展性（≥50%），極端應(yīng)變條件下吸能性能優(yōu)異，是汽車(chē)輕型化設(shè)計(jì)的理想材料。但低屈服強(qiáng)度（~300MPa）是限制其實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。細(xì)晶強(qiáng)化是同時(shí)提升材料強(qiáng)度和韌性的重要途徑。然而，由于孿晶鋼在冷卻過(guò)程中不具備固態(tài)相變，因此不能像低合金高強(qiáng)鋼一樣可通過(guò)軋制和快速冷卻等工藝達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。不具備固態(tài)相變的金屬材料，通常采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)等劇塑性變形手段來(lái)制備細(xì)晶結(jié)構(gòu)。但是，這些技術(shù)生產(chǎn)成本高、樣品尺寸小，而且細(xì)晶材料中通常含有高密度位錯(cuò)、空位等晶體缺陷，大大降低其均勻延展性，且不能規(guī)?；a(chǎn)。

快速共格析出制備高強(qiáng)韌

超細(xì)晶奧氏體鋼

為解決超細(xì)晶奧氏體鋼的規(guī)?；苽浼夹g(shù)問(wèn)題以及其強(qiáng)塑性倒置關(guān)系，研究人員研發(fā)了一種新型晶粒細(xì)化技術(shù)。該技術(shù)的核心是如何在再結(jié)晶過(guò)程中實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)高密度晶內(nèi)析出來(lái)抑制亞微米晶粒長(zhǎng)大，并且該析出相不限制位錯(cuò)滑移和欒晶生成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高延展性。研究人員首次提出引入共格無(wú)序的析出相，共格能夠顯著降低析出形核勢(shì)壘，無(wú)序能夠降低孕育期，實(shí)現(xiàn)快速高密度晶內(nèi)析出，及時(shí)釘扎再結(jié)晶的亞微米晶粒的晶界。析出相長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是界面能，由于共格界面的界面能很低，該析出相非常穩(wěn)定，能夠持續(xù)提供有效的釘扎壓力，獲得穩(wěn)定的超細(xì)晶組織，利于規(guī)?；a(chǎn)。尤為重要的是，晶粒細(xì)化技術(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的軋制和退火制備超細(xì)晶奧氏體鋼，突破了超細(xì)晶奧氏體鋼規(guī)?；苽涞募夹g(shù)瓶頸。該晶粒細(xì)化技術(shù)具有一定的普適性，對(duì)其他合金體系的晶粒細(xì)化具有一定指導(dǎo)意義。為此，本文總結(jié)了以下關(guān)鍵合金元素選擇標(biāo)準(zhǔn)：1）該元素的加入能夠促使析出相在再結(jié)晶溫度區(qū)間析出；2）該元素不與基體元素形成中間相；3）該元素應(yīng)與基體有相同的晶體結(jié)構(gòu)和基本相同的晶體參數(shù)。國(guó)際性科技期刊《Nature》于2021年2月10日在線(xiàn)發(fā)表了上述研究成果。

新型超細(xì)晶鋼的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性研究

如圖1所示，往經(jīng)典的Fe-22Mn-0.6C（wt.%）孿晶鋼中加入4wt.%Cu（下文分別簡(jiǎn)稱(chēng)為0Cu和4Cu），然后通過(guò)簡(jiǎn)單的軋制和在760℃退火5min，成功在4Cu中制備出超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。EBSD結(jié)果顯示，4Cu的晶粒尺寸為0.8±0.4μm（見(jiàn)圖1a），而0Cu的晶粒尺寸為2.1±0.7μm（見(jiàn)圖1b）。ADF-STEM結(jié)果圖顯示（見(jiàn)圖1c和1d），在4Cu的晶粒內(nèi)部存在高密度共格無(wú)序富Cu析出相。3D-APT結(jié)果顯示析出相的尺寸為5.6±2.5nm，密度高達(dá)4.6×1023m-3，Cu含量為84±6at.%。在晶界附近除了微量的C偏析外，沒(méi)有其他元素偏析，因此不會(huì)弱化晶界，有助于提升力學(xué)性能。

研究人員分別從退火溫度和時(shí)間兩個(gè)維度分析了超細(xì)晶組織的穩(wěn)定性。圖2a和2b顯示，在760℃下保溫1h后，4Cu的平均晶粒尺寸僅從5min退火后的0.8μm長(zhǎng)大到1.3μm，而0Cu的平均晶粒尺寸從2.1μm增長(zhǎng)到了5.7μm。當(dāng)溫度從760℃上升到910℃時(shí)，4Cu的平均晶粒尺寸僅從0.8μm長(zhǎng)大到1.4μm，超細(xì)晶組織極其穩(wěn)定，而0Cu的平均晶粒尺寸從2.1μm長(zhǎng)大到了6.3μm，如圖2c和2d所示。以上結(jié)果表明，無(wú)序共格析出還可以大幅度提高納米材料、超細(xì)晶材料的組織熱穩(wěn)定性。

新型超細(xì)晶孿晶鋼的力學(xué)性能測(cè)試

及與其他高性能合金性能對(duì)比

相比0Cu，4Cu的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別從380MPa和1450MPa提升到710MPa和1950MPa，同時(shí)保持了與微米晶孿晶鋼相當(dāng)?shù)木鶆蜓由炻?。與其他高性能合金材料相比，4Cu具有非常優(yōu)異的綜合機(jī)械性能。與目前汽車(chē)工業(yè)廣泛應(yīng)用的屈服強(qiáng)度在600-700MPa的雙相鋼和TRIP鋼相比，4Cu的強(qiáng)塑積至少是其兩倍以上。同時(shí)，4Cu的強(qiáng)塑積也顯著高于普通的超細(xì)晶孿晶鋼。由此可見(jiàn)，共格無(wú)序析出相不僅可以細(xì)化晶粒，而且能進(jìn)一步提升力學(xué)性能。

共格無(wú)序析出相對(duì)孿晶生成

和位錯(cuò)滑移的影響

為準(zhǔn)確揭示納米共格無(wú)序析出相對(duì)位錯(cuò)滑移和孿晶生成的影響，作者制備了0Cu超細(xì)晶孿晶鋼，并對(duì)15%和45%應(yīng)變后0Cu和4Cu的組織進(jìn)行了分析。共格無(wú)序的析出相與位錯(cuò)的相互作用弱，因此不顯著限制位錯(cuò)滑移和孿晶生成；由于富Cu析出相具有較高的層錯(cuò)能，能一定程度上阻礙肖克來(lái)半位錯(cuò)（leading partial）切過(guò)，因此能顯著阻礙孿晶生長(zhǎng)，增加孿晶密度，使4Cu具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)化能力，在提高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)保持了較高的塑性。尤為重要的是，在這些高密度的納米孿晶內(nèi)部與基體中均發(fā)現(xiàn)了大量的納米位錯(cuò)包，說(shuō)明這些高密度形變納米孿晶并未顯著降低材料的位錯(cuò)存儲(chǔ)能力，有助于進(jìn)一步提升材料性能。

結(jié)論

晶粒細(xì)化是同時(shí)提升材料強(qiáng)度與韌性的重要途徑。然而超細(xì)晶材料的工業(yè)化制備僅限于幾種具有固態(tài)相變細(xì)化的合金。該新型晶粒細(xì)化技術(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的軋制和退火工藝制備超細(xì)晶奧氏體鋼，極大簡(jiǎn)化了超細(xì)晶材料制備工藝和成本，突破了超細(xì)晶奧氏體鋼規(guī)?；苽涞募夹g(shù)瓶頸。由于共格無(wú)序析出相與位錯(cuò)相互作用弱且能細(xì)化形變孿晶，能進(jìn)一步提升材料的動(dòng)態(tài)加工硬化能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高均勻延展性，因此為超細(xì)孿晶鋼規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。（高軍恒 蔣雖合 呂昭平）