北京科技大學(xué)呂昭平團(tuán)隊(duì)Nature：不尋常的超高強(qiáng)韌“中國(guó)鋼”鋼鐵材料對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)的意義，就如同骨骼對(duì)于人類的身體，支撐起國(guó)民經(jīng)濟(jì)的脊梁。在一些關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要領(lǐng)域，例如航空航天、可持續(xù)加工制造、新型能源、安全工程以及先進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)等，為實(shí)現(xiàn)輕型化設(shè)計(jì)以及節(jié)能減排，超高強(qiáng)韌鋼的發(fā)展是其中的關(guān)鍵。鐵鎳基馬氏體作為一種典型的超高強(qiáng)韌鋼，通過在超低碳的位錯(cuò)馬氏體基體上析出大量的納米級(jí)金屬間化合物（Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo）來實(shí)現(xiàn)超過2 GPa的超高強(qiáng)度，以及極佳的綜合服役性能。但是，這種材料需要超高量的合金元素，如高達(dá)5-12%的Co和Mo來促進(jìn)主強(qiáng)化相Ni3Mo的析出，而Ti通過形成富Ti金屬間化合物提供額外的強(qiáng)化效果。這些昂貴合金元素尤其是Co的使用極大的提高了成本，限制了其廣泛應(yīng)用。為此，材料學(xué)家們發(fā)展了無Co或低Co的馬氏體時(shí)效鋼（maraging steels），這其中Ni3Ti作為一種替代的析出強(qiáng)化相，通過增加合金元素Mo、Ti含量促進(jìn)其析出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。但是Ti、Mo含量的增加不可避免地產(chǎn)生有害析出物，嚴(yán)重降低材料的韌塑性。昂貴的合金元素、異常嚴(yán)格的加工制備要求，都嚴(yán)重限制該類超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，成為困擾高端鋼鐵工業(yè)發(fā)展的難題。
現(xiàn)行的馬氏體時(shí)效鋼不管是否含Co，其強(qiáng)化機(jī)制始終是基于大量半共格粒子產(chǎn)生的大共格畸變和位錯(cuò)的交互作用。析出相和基體之間這種大的機(jī)械性能差異雖能提供極高強(qiáng)度，但是也促使材料在加載時(shí)容易過早的形成裂紋或者局部應(yīng)變，這極大的限制了材料的韌塑性，同時(shí)影響材料服役的安全性和可靠性。另外，強(qiáng)化相和基體晶體結(jié)構(gòu)上的較大差異必然導(dǎo)致析出過程的較高形核勢(shì)壘。所以，傳統(tǒng)方法通過增加成分上的過飽和度來促進(jìn)更多的半共格粒子析出的方法（尤其是在一種高缺陷密度的基體上），已經(jīng)達(dá)到了極致，并成為超高強(qiáng)度合金進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。針對(duì)上述問題，北京科技大學(xué)呂昭平教授團(tuán)隊(duì)在材料設(shè)計(jì)上獨(dú)辟蹊徑，采用“不尋?！钡暮辖鹪O(shè)計(jì)理念，發(fā)展了“不尋?！钡?/span>高密度有序Ni(Al,Fe)納米顆粒強(qiáng)化的超高強(qiáng)韌馬氏體時(shí)效鋼，其抗拉強(qiáng)度不低于2.2 GPa，拉伸塑性不低于8%。而且由于使用價(jià)廉質(zhì)輕的Al等合金元素代替?zhèn)鹘y(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼中昂貴的Co、Ti等，可添加傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼所避免的C元素，成本大幅度降低，制備工藝簡(jiǎn)化。國(guó)際頂級(jí)期刊Nature 于2017年4月10日在線發(fā)表了這一來自中國(guó)大陸材料學(xué)家們的突破性研究進(jìn)展。
讓我們來解析一下這種新型超高強(qiáng)韌鋼“不尋?！钡脑O(shè)計(jì)理念。主要思想基于最低錯(cuò)配度下獲得最大程度彌散析出和高剪切應(yīng)力，即一方面通過“點(diǎn)陣錯(cuò)配度最小化（minimal lattice misfit）”，顯著降低金屬間化合物顆粒析出的形核勢(shì)壘，促進(jìn)更小尺度（2-5 nm）的納米顆粒均勻彌散分布，并顯著提高強(qiáng)化顆粒的體積密度和熱穩(wěn)定性，同時(shí)低錯(cuò)配度共格界面結(jié)合小尺度有效緩解增強(qiáng)顆粒周邊微觀彈性畸變，改善材料宏觀均勻塑性變形能力；另一方面，引入“有序效應(yīng)（chemical ordering effect）”作為主要強(qiáng)化機(jī)制，有效阻礙位錯(cuò)對(duì)增強(qiáng)相顆粒的切過作用，從而獲得優(yōu)異綜合性能的新型馬氏體時(shí)效鋼。
作者首先給出了新型馬氏體時(shí)效鋼的典型組織和對(duì)應(yīng)力學(xué)性能，以及與傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼的性能對(duì)比。通過簡(jiǎn)單的固溶和時(shí)效的方法，該合金屈服強(qiáng)度提高了1100 MPa，同時(shí)并無明顯的塑性下降，這與傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼時(shí)效后塑性的急劇下降形成鮮明對(duì)比。更加值得注意的是，該類材料經(jīng)時(shí)效后呈現(xiàn)出一定的加工硬化率，且均勻延伸率反而有所增加，在相同強(qiáng)度下其值遠(yuǎn)高于其他合金?？梢娪眠@種形態(tài)的粒子強(qiáng)化可有效的抑制裂紋的過早萌生以及發(fā)生局部應(yīng)變。作者用掃描投射電鏡（STEM）對(duì)時(shí)效前后的典型組織進(jìn)行了表征，觀察到具有極高密度及極小尺寸的粒子均勻分布于高缺陷馬氏體基體上，突破了傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼析出組織難以控制的瓶頸。由于該鋼種中用Al替代了傳統(tǒng)策略中必須且昂貴的Co和Ti，不僅降低了合金成本，而且Ti的去除允許合金中引入一定量的C并以碳化物的方式補(bǔ)充強(qiáng)化，這將方便合金的制備并簡(jiǎn)化精煉過程。
新型馬氏體時(shí)效鋼在固溶退火（950 ℃下15 min）和時(shí)效（500 ℃下3 h）狀態(tài)下的力學(xué)性能和STEM圖像。圖片來源：Nature
隨后的一系列高分辨率的納米級(jí)表征手段，包括高角環(huán)形暗場(chǎng)-掃描透射電鏡（HAADF-STEM）、三維原子探針斷層分析（3D-APT）、同步輻射X射線衍射（XRD）對(duì)納米尺寸的析出相進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，時(shí)效后只形成了一種析出相，即B2結(jié)構(gòu)的Ni(Al,Fe)粒子，成分為(45.7 ± 1.6) at% Ni、(28.4 ± 2.0) at% Al和(25.6 ± 2.1) at% Fe。結(jié)合高分辨率HADDF-STEM可知，Al和Fe共占一個(gè)點(diǎn)陣位置。粒子體積密度超過1024 m-3，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于峰值時(shí)效后的其他類合金，包括傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼。
高分辨率HAADF STEM圖和3D-APT數(shù)據(jù)重構(gòu)。圖片來源：Nature
析出物的原子探針分析。圖片來源：Nature
為何能夠得到如此高密度的粒子？一方面添加相對(duì)高含量的Al和Mo元素?cái)U(kuò)大基體的點(diǎn)陣常數(shù)使其與NiAl粒子相近，而該合金中析出相中部分Al點(diǎn)陣位置又被Fe代替從而降低B2相點(diǎn)陣常數(shù)，從而在一定時(shí)效溫度下實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)配度的最小化。結(jié)合共格界面本來低的界面能，顯著降低均勻形核勢(shì)壘從而促進(jìn)均勻形核及其形核率。另一方面，對(duì)于這種同時(shí)包含高體積分?jǐn)?shù)粒子和高密度位錯(cuò)的體系，粒子的穩(wěn)定性必須考慮。從APT結(jié)果可知，粒子的長(zhǎng)大受局域原子重排支配，且長(zhǎng)程擴(kuò)散被抑制。究其原因，通過Mo的添加，受其極低擴(kuò)散速率影響，一方面其排出于新生相而聚集于界面前沿控制粒子長(zhǎng)大；另一方面極低錯(cuò)配度促進(jìn)形核并進(jìn)一步降低競(jìng)爭(zhēng)長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力，從而達(dá)到穩(wěn)定粒子的目的。通過錯(cuò)配度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)小粒子的高密度析出。
同步輻射XRD的表征。圖片來源：Nature
由于析出相具有極低的錯(cuò)配度及極小的尺寸，傳統(tǒng)鋼中用于強(qiáng)化的共格畸變被大幅度降低，但是，該析出相本身具有很高的反相疇界能，從而以有序化效應(yīng)為主導(dǎo)，阻礙位錯(cuò)切過并大幅度提高變形抗力。新型馬氏體時(shí)效鋼在2 GPa下仍然具有優(yōu)異的塑性，一方面歸功于極低錯(cuò)配度下粒子得到最大程度的均勻分布且共格畸變大幅弱化，有效緩解了傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼中難以避免的應(yīng)力集中問題；另外，對(duì)于新型馬氏體時(shí)效鋼，不僅得到了更小尺寸、更高密度的顆粒，而顆粒的化學(xué)組成特征也大幅保留固溶于馬氏體基體中用于增強(qiáng)增韌的Ni元素，這對(duì)于高強(qiáng)度和高韌性相當(dāng)重要。
綜上所述，來自中國(guó)大陸的材料學(xué)家們通過創(chuàng)新合金設(shè)計(jì)理念，發(fā)展了高密度有序Ni(Al,Fe)納米顆粒強(qiáng)化的超高強(qiáng)韌馬氏體時(shí)效鋼，在保持良好的韌性和塑性的同時(shí)，大幅提高鋼鐵材料的極限強(qiáng)度，同時(shí)降低了成本并簡(jiǎn)化了制備工藝。這一突破不但有力地推動(dòng)該類材料的實(shí)際工程應(yīng)用，其設(shè)計(jì)理念還有希望應(yīng)用于其他合金體系，為新型超高強(qiáng)度材料的發(fā)展打開了新的研究思路。
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