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米测 MeLab 纳米人 2024-06-06

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研究背景

析出强化是金属材料中实现强度提升的重要手段。然而,传统的析出强化机制存在着一些挑战,其中包括Orowan环绕机制导致的位错堆积和应力集中,容易引发材料脱粘和裂纹核形成,从而降低合金的延性和耐损载荷能力。

为了攻克这一难题,中南大学王章维教授,宋旼教授和德国马克斯普朗克研究所Dierk Raabe院士携手提出了一种从Orowan环绕到位错切割的新范式,以应对传统强化机制所面临的问题。他们在一种由B2金属间化合物强化的轻质复杂组分钢中实现了这一突破,通过实现足够高的基体应力水平,使得原本脆性的B2相能够被位错剪切,从而实现了合金的强度和延性的兼顾。该研究为开发强韧金属材料提供了新的思路和路径。以上成果在“Science”期刊上发表了题为“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”的最新论文。
   

科学贡献

图1展示了CCS的微观结构及其组成。X射线衍射图谱(图1A)和电子背散射衍射(EBSD)相图(图1B)揭示了CCS具有双相结构,由B2沉淀物和FCC奥氏体基体组成。EBSD反极图(图1C)显示,再结晶区域占总面积的77%,而非再结晶区域占23%。低角度暗场透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像(图1D)展示了B2颗粒在再结晶和非再结晶区域中的均匀分布。高角度暗场透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像(图1E)和能量色散X射线光谱(EDS)分析表明,B2沉淀物富含Ni和Al。图1F的高分辨率HAADF-STEM图像和快速傅立叶变换(FFT)图案显示了B2相具有有序的BCC结构。SAED图案(图1G插图)揭示了在奥氏体基体内形成了L’12型(有序FCC)LCO,其在HAADF-STEM图像中通过逆FFT图像进一步展示(图1H)。原子探针层析成像揭示了B2纳米沉淀物及其周围奥氏体基体之间的元素分配(图1I)。图1J提供了每个相的化学组成的定量分析,而图1K的频率分布分析显示了元素在奥氏体中的均匀分布。总之,图1全面揭示了CCS的复杂微观结构和元素分布特征,为进一步理解该材料的性能提供了重要信息。    
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图1:分层CCS的微观结构。

通过本研究,作者针对轻质复杂组分钢(CCS)在近似液氮温度下的低温机械性能进行了深入的探究。在图2中,作者展示了CCS的显著机械性能,其具有超高的屈服强度和极限抗拉强度,并且在高强度条件下表现出了惊人的延伸率。该高屈服强度主要源自固溶相关摩擦应力的显著增加,同时沉淀强化也对强度有相当贡献。此外,作者观察到CCS具有显著的应变硬化能力,在塑性变形过程中强度显著增加,超越了9Ni钢等传统材料。这些结果突显了CCS的潜力,表明其在低温环境中可能是一种有前景的结构材料替代品。

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  图2. CCS的低温机械性能测试。

图3进一步解释了CCS在低温条件下的变形机制。通过在不同工程应变下对CCS进行变形亚结构的研究,作者观察到了位错滑移与LCO和B2纳米沉淀物之间的相互作用。在低应变下,作者观察到了典型的位错滑移,而高分辨率透射电子显微镜观察揭示了LCO对位错活动的影响。进一步的几何相分析显示,位错与LCO的相互作用导致了原子应变场的增加,进而增强了应变硬化效应。与传统的Orowan环绕相反,作者观察到了位错滑移引起了B2纳米颗粒的切穿,进一步强调了CCS在高强度FCC基体中的非凡表现。这些发现为开发低温环境中高性能结构材料提供了重要的参考,并且为CCS作为潜在的替代品提供了更深入的理解和应用前景。
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图3. 位错滑移对LCO和B2颗粒的剪切作用。

在研究中,作者进行了一系列实验来揭示轻质复杂组分钢(CCS)在低温环境下的变形机制。在图4中,作者观察到了在中等拉伸应变(10%)下B2颗粒内部的切割机制。通过高分辨率电子显微镜图像,他们发现B2颗粒被位错滑移穿过,并与周围奥氏体基体形成了特定的取向关系。此外,作者观察到了在奥氏体-B2界面上形成的台阶,其尺寸与位错数量和堡格矢量相关。此外,他们还检测到了大量的堆垛错和纳米孪晶,这些是低温条件下形成的关键发现。这些结果揭示了在低温下,CCS的变形机制主要涉及到位错滑移、台阶形成以及堆垛错和纳米孪晶的生成,这与室温下完全受位错滑移控制的情况不同。这一研究为作者深入理解轻质复杂组分钢在极端条件下的性能提供了重要见解。    

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图4:CCS在低温拉伸变形过程中的微观结构演变。


总结展望

本研究揭示了传统结构材料设计中的一个重要原则的范式转变。以往,人们普遍认为脆性、不相容和无法剪切的金属间化合物在沉淀硬化过程中只能起到一定的强化作用,但限制了材料的延展性。然而,本研究通过对B2金属间化合物及其周围奥氏体基体的结构和变形机制的深入探究,发现了一种新的范式。通过在金属基体中引入局部化学有序区域(LCO)和大量固溶强化,成功地改变了B2颗粒周围的变形机制,从传统的Orowan环形滑移和位错堆积转变为颗粒切割。这种新的变形机制为金属合金的设计提供了全新的思路,使得本来脆性的金属间化合物也能够在材料强度大幅提升的同时保持一定的延展性。因此,本研究拓展了材料设计的可能性,为开发更高性能的金属材料提供了新的思路和方法。  
 
原文详情:
Feng Wang et al. ,Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels.Science384,1017-1022(2024).
DOI:10.1126/science.ado2919    

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