導讀：本文采用塑性變形和部分再結晶的方法制備了體積納米孿晶固溶奧氏體鋼。隨后的時效處理導致γ -素數相沿孿晶邊界大量析出。這些納米沉淀物在兩側與奧氏體基體共滲，即繼承孿晶界。受這些納米沉淀物約束的納米孿晶表現出高熱穩定性，并有效地阻礙了位錯在高溫下的運動。結果表明，該材料在700℃時的屈服強度高達780 MPa。與峰時效粗晶試樣相比，含有約49 %納米孿晶與第二相結合的試樣在700℃時的強度提高了約60%。這種納米孿晶和納米沉淀物的聯合強化為材料在高溫下的進一步強化提供了一種新的策略。

提高材料在高溫下的力學性能一直是材料科學家的研究熱點，這也是航空航天、能源等領域的重要需求。目前提高金屬材料高溫強度的設計方法是合金化，即在材料中加入耐火元素，利用第二相析出物或固溶原子來減少位錯。然而，這種強化策略的效果受到固溶元素溶解度的限制。因此，在高溫下，需要另外的強化策略對于進一步改善材料機械性能。

本文引入高密度晶界(GBs)來細化晶粒可以有效地在室溫下強化金屬材料。例如，將純鋁和純銅的晶粒細化到100 nm以下，屈服強度成倍增加，它們的納米晶合金甚至比一些商用鋼更強。在許多合金體系中，高密度晶界強化甚至超過了析出強化和固溶強化。然而，金屬材料溫度升高會加劇原子運動，導致位錯小時速度提高，高密度晶界滑動增加，從而減弱了高密度晶界的強化作用。

與傳統的大角度晶界相比，雙晶界具有較好的熱穩定性。例如，納米孿晶Cu不同于室溫下晶粒粗化，而納米孿晶銅的粗化溫度可達800℃。這是由于孿晶界具有較低的多余能量(為大角度高密度晶界的10%)和零曲率特性。因此，孿晶界有望在高溫下存活，然后作為位錯運動的屏障。無論是純金屬還是合金，納米孿晶結構在室溫下都具有高強化能力。此外，有研究表明，孿晶邊界上的沉淀物可以進一步提高納米孿晶的穩定性，并協同增強其強度。因此，納米孿晶結合納米沉淀物在改善高溫力學性能方面具有很大的潛力。

本文試圖通過塑性變形，以及時效處理，將高密度納米孿晶和納米沉淀物引入奧氏體鋼。結果表明，樣品中嵌有大量的納米孿晶束，在共格孿晶邊界處排列著極細的析出相。這種新的結構使樣品在25至800℃的整個測試溫度范圍內具有很高的屈服強度。通過電鏡觀察對其微觀結構進行了細致的表征，并對強化機理進行了探討。

中國科學技術大學劉東陽等教授相關研究以“Enhanced high-temperature strength of austenitic steels by nanotwins and nanoprecipitates”為題發表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223006590

圖1所示。典型的EBSD圖(a)反極圖和(b)晶界顯示了DA樣品的混合微觀結構，包括雙束、再結晶晶粒和位錯區域。(b)中的“Σ3”指雙邊界。(c)納米孿晶，(d)再結晶晶粒，(e)位錯結構的典型亮場TEM圖像。(c-e)中的插圖是相應區域的SAED模式。

圖2所示。(a) DAA樣品中納米孿晶區的暗場TEM圖像。插圖是相應的SAED圖案和析出物的尺寸分布。(b)典型納米孿晶區的掃描TEM圖像及相應的能譜圖。(c)沿[110]區軸拍攝的高分辨率掃描TEM圖像和(d)相應的EDS分析。(e) l12結構Ni3(Ti, Al)相的晶體模型。(f) (c)的快速傅里葉變換模式。

圖3 (a) DAA樣品中典型位錯結構(DS)區域的亮場TEM圖像和(b)能譜圖。(c) DAA樣品中典型再結晶(SRX)區域的亮場TEM圖像和(d) EDS映射。

圖 4 (a)環境溫度和高溫下DAA試樣的工程應力-應變曲線。(b)不同試樣在600℃拉伸溫度下的工程應力-應變曲線。(c) DAA和峰時效粗晶(PA-CG)試樣的屈服強度隨變形溫度的變化。

綜上所述，無論是在常溫下還是在高溫下，納米孿晶的高密度都必然在強化中起著關鍵作用。米孿晶結合納米沉淀物具有優異的穩定性，這是其在高溫下具有優異強化效果的必要前提。透射電鏡結果顯示，用米孿晶結合納米沉淀物，在高溫下可以阻止位錯發生。

上述討論表明，當納米晶存在于孿晶邊界處時，納米孿晶可以在高溫下保持高強度。納米孿晶強化與沉淀強化相結合的結構提供的強化效果。如圖4c所示，復合強化使該試樣的高溫強度遠遠高于粗粒試樣。與相同變形溫度下的峰時效粗晶試樣相比，600℃時的強度提高了45%。在700℃時，雖然由于位錯恢復加速，難以有效積累大量位錯，導致工作軟化(圖4a)，但穩定的納米孿晶和納米沉淀沒有明顯粗化，強度提高了60%。在800℃時，盡管強度迅速降低，但仍比粗晶試樣高36%。

孿晶和析出物在合金中并不罕見，特別是在高合金鋼中。本文通過塑性變形成功地將納米孿晶引入固溶奧氏體鋼中，隨之的時效處理又促使許多γ′相顆粒在納米孿晶束內析出。這些細小的析出相有規律地分布在共格孿晶界上，與穩定的孿晶界一起促成了優異的高溫強度。該納米孿晶和納米沉淀物的聯合強化策略有望拓展高溫下金屬材料的應用。