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中南大學重磅Science！高強度鋼領域重大突破！極限抗拉強度高達2 GPa

2024-05-31 14:23:07 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

近年來，低溫金屬材料在液化天然氣的運輸和儲存等方面起著至關重要的作用。在金屬材料強化過程中，強化效應源于對位錯運動的抵抗力，即金屬材料中線性塑性所具有的晶格缺陷。研究顯示，此過程可以通過分散相干顆粒來進行，且位錯必須在較高應力下通過這些顆粒，也可以通過Orowan位錯環迫使位錯繞過不可穿透的析出物，Orowan位錯環是一種位錯纏繞析出物的機制，也需要應力增量。其中，毛細管驅動的顆粒粗化是老化過程中發生的一種過程，通常將機制從前者轉移到后者，即從位錯切割到彎曲和循環，而在析出物硬化合金體系中，反向轉變通常仍然難以捉摸。雖然Orowan位錯環機制具有顯著提升的性能，但與不可穿透顆粒周圍的位錯堆積有關，這增加了由于應力集中而導致材料失效的可能性。

在此，中南大學王章維教授，宋旼教授和德國馬克斯普朗克研究所Dierk Raabe院士（共同通訊作者）開發了一種在液氮溫度下仍具有良好延展性的高強度鋼。這種鋼含有鐵、錳、鋁、鎳和碳，并形成了具有局部有序區和納米析出物的高強度基體。究其原因，本文的高強度是固溶強化的結果，這種強化效果足夠高，以至于通常較脆的納米顆粒反而會被剪切并產生變形，這使得高強度鋼的抗脆性斷裂性能優于其他低溫結構材料。進一步研究顯示，本文通過引入了一種從Orowan位錯環到位錯切割的轉變，且該材料由B2（有序體心立方體，BCC）金屬間化合物作為析出物強化。這種通用方法表明，通過實現足夠高的基質應力水平，可以將原本容易損壞的Orowan環效應增強為顆粒剪切機制，而不會在異質界面處產生損傷成核。這種轉變促進了整個材料的延展性響應，而不是脆性響應，同時也為輕質成分復雜鋼（CCS）提供了相當大的強化效果，極限抗拉強度高達2 GPa。因此，本文的研究揭示了一條開發強韌和延展性金屬材料的新途徑。

相關研究成果以“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”為題發表在Science上。

【核心創新點】

1、本文通過引入了一種從Orowan位錯環到位錯切割的轉變，且該材料由B2（有序體心立方體，BCC）金屬間化合物作為析出物強化；

2、本文提出的策略促進了整個材料的延展性響應，而不是脆性響應，同時也為輕質成分復雜鋼（CCS）提供了相當大的強化效果，使極限抗拉強度高達2 GPa。

【數據概覽】

【成果啟示】

綜上所述，作者通過在金屬合金中使用第二相進行析出硬化，基于大量固溶強化增強了相鄰的奧氏體基體，從而實現了延展性大幅度提高。結果顯示，CCS中堆疊斷層和納米孿晶的出現歸因于較低溫度下堆疊斷層能量的降低，以及低溫變形過程中遇到的流動應力增強，其堆疊能量在接近液氮溫度時降低至36 mJ/m²。這種效應可以激活堆垛故障和機械孿晶。此外，在10%高應力水平下達到1973 MPa的真實應力，促進了堆積斷層和機械孿生的形成。這些平面缺陷引入了高密度的額外界面，通過減少它們的平均自由程來阻礙位錯運動，這一效應利用了實質性的強化和應變硬化效應。

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