《Science》子刊：纳米双重析出制备超强轻质成分复杂钢

导读：高性能的轻质材料是迫切需要的，鉴于减轻重量和相关的节能减排的迫切要求。本文通过结合复杂合金的多主元素特征，进一步发展了轻质钢概念，并提出了一种新型复杂成分钢CCS。这种方法使我们能够使用高固溶强化，并将合金成分转移到以前无法获得的相区域，在该相区域中同时形成了纳米级可剪切κ碳化物和不可剪切B2颗粒。在制备的CCS中实现双纳米沉淀导致材料具有超高的比抗拉强度（高达260 MPa·cm^3g^-1）和优异的断后伸长率（13％至38％），其性能优于所有其他高强度高熵合金和先进轻质钢。该CCS概念对于指导超强轻质金属材料的设计具有重大意义。

具有高强度、韧性和延展性并具有低密度的钢设计是一项重要任务。例如，减少车辆的重量转化为相应的燃料消耗减少。尽管可以使用或正在开发其他轻质材料，例如铝合金、镁合金和碳纤维复合材料，但强度，延展性，韧性和成本效益的独特结合使先进的轻质铁基材料成为优选。钢材对未来的关键工程应用特别有吸引力。在这种情况下，Fe-Mn-Al-C系统引起了广泛关注，因为与常规方法相比，在Al-Fe-Mn-C系统中添加Al可以有效降低重量约10％，并提高强度和延展性钢。

但是，共格κ碳化物在高应力下的剪切作用会导致局部应变软化，从而导致应变局部化。同样，在晶界处，κ碳化物变得不连贯，促进裂纹萌生，导致脆化，特别是在高Al和C含量时。因此，为进一步提高机械性能，已将不可剪切的非共格B2（有序体心立方）颗粒代替κ碳化物引入了Fe-Mn-Al-C基奥氏体钢中。均匀分布的硬质B2颗粒可实现明显的局部应变硬化，因为位错必须屈服并绕过它们，从而在颗粒周围留下额外的位错环，这种作用称为Orowan强化。这种机理导致合金非常高的比强度值，最高可达233 MPa·cm 3 g -1。由于B2金属间化合物脆性的本质局限，利用其进一步提高强度需以较大程度地牺牲塑性为代价。因此，超高强度轻质钢的设计遇到了瓶颈问题。

基于此，德国马普钢铁研究所的王章维博士、逯文君博士、Dierk Raabe教授与中南大学的李志明教授等合作研究，通过引入高熵合金这一理念，重新设计传统轻质钢，密度（6.6 g / cm 3），更具体地说是提出一类新的成分复杂钢（CCS），它由五个主要元素组成，包括非等原子比的C，其中Fe占原子分数最高48 at.％，并且每个元素都有一个原子，分数不少于5 at.％。这个新颖的概念不仅利用了基质中多种主要元素提供的大量固溶强化作用，而且还使该组合物可调谐到同时存在纳米级可剪切κ碳化物和不可剪切B2粒子的相区域。在制备的CCS中实现双纳米沉淀导致材料具有超高的比抗拉强度（高达260 MPa·cm^3g^-1）和优异的断后伸长率（13％至38％），其性能优于所有其他高强度高熵合金和先进轻质钢。相关研究成果以题“Ultrastrong lightweight compositionally complex steels via dual-nanoprecipitation”发表在Science advances上。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eaba9543.full

图4 CCS在1.5％应变下的变形微观结构。（A）LAADF-STEM图像，显示变形的CCS-1中的位错（明暗对比）。（B）（A）中标记区域的放大图像。奥氏体（γ）矩阵和κ碳化物通过FFT模式识别，B2相通过（C）中的EDS进行检测。位错穿过γ基质和κ碳化物，而B2相则显示出绕过机理。
总之，本文开发了一种新型的CCS，具有低质量密度（6.6 g / cm^3）和非常高的比抗拉强度（高达260 MPa·cm^3 g^-1）的出色组合），优异延展性（伸长率13％至38％）。这是由复杂合金设计的新颖概念实现的，该概念使我们能够将材料的成分转变为触发双纳米沉淀系统的状态，该系统由可剪切的κ碳化物和不可剪切的B2颗粒组成。这种结合导致塑性流动的纳米级均质化，通过纳米级剪切和位错弯曲而提供了高强度，并且由于抑制了应变局部化而提供了高成形性。而且，CCS是通过常规的批量冶金工艺生产的，可用于大规模工业生产。因此，该合金概念为开发具有卓越机械性能的高级轻质材料开辟了一条新途径。