采用更高強(qiáng)度、更高延展性的鋼材是改善運(yùn)輸裝備輕量化和安全性的重要方式，因?yàn)殇摬拿磕戤a(chǎn)量可達(dá)18億噸。為了獲得高強(qiáng)度鋼，特別是抗拉強(qiáng)度超過(guò)2.0 GPa的鋼，經(jīng)常需要較高的含碳量或加入昂貴的合金元素（鈷、鎳、鉻等）。金屬晶體中不連續(xù)的晶界（GBs）和相界（PBs）對(duì)調(diào)節(jié)多晶材料的機(jī)械性能非常有效。晶界工程（GBE）已被廣泛用于制造高級(jí)工程材料，但是熱力加載條件下晶界的熱穩(wěn)定性將導(dǎo)致晶粒粗化等現(xiàn)象，從而限制性能的進(jìn)一步提升。

最近，清華大學(xué)陳浩等人利用一種尚未深入研究的平面缺陷，即化學(xué)界面（Chemical Boundary，CBs），獲得了由納米板條馬氏體和納米孿晶奧氏體組成的新型分層異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)，制備的低碳中錳鋼抗拉強(qiáng)度超過(guò)2.0 GPa，并具有高延展性（>20％），同時(shí)不需要添加高含碳量或加入昂貴的合金元素。相關(guān)論文以題為“Chemical boundary engineering: A new route toward lean, ultrastrongyet ductile steels”于3月27日發(fā)表在Science Advances。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay1430

研究人員選用的鋼成分十分簡(jiǎn)單，為低碳中錳鋼0.18C-7.98Mn-0.013Si（wt.%），熱軋后冷軋，再進(jìn)行奧氏體回復(fù)處理（ART）。此時(shí)合金組織是等軸鐵素體和亞穩(wěn)態(tài)奧氏體組成的雙相組織，抗拉強(qiáng)度為1060MPa，總伸長(zhǎng)率為30.5％。為了將奧氏體/鐵素體相界處的尖銳Mn不連續(xù)性轉(zhuǎn)化為化學(xué)界面，需要將經(jīng)過(guò)ART處理的鋼快速加熱（>100℃/s）到單相奧氏體區(qū)域（800℃），然后立即淬火至室溫，形成了高密度的非平衡化學(xué)界面，最終形成超細(xì)馬氏體+奧氏體組織。

化學(xué)界面是指銳利的化學(xué)成分差異，本文所描述的化學(xué)界面工程（Chemical Boundary Engineering，CBE）方法使得每個(gè)奧氏體晶?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)界面進(jìn)一步細(xì)分為亞微米區(qū)域，它們?cè)诖慊疬^(guò)程中的作用與晶界相同，從而對(duì)板條馬氏體的生長(zhǎng)形成強(qiáng)大的阻礙。這些化學(xué)界面不能在室溫下留存，研究人員是通過(guò)其對(duì)冷卻過(guò)程中馬氏體形成的影響來(lái)證明的。利用化學(xué)界面工程獲得的鋼中馬氏體板條的平均長(zhǎng)度為130nm，比傳統(tǒng)晶界工程獲得的短10倍。

圖1 相界面PB、晶界GB和化學(xué)界面CB的示意圖

圖2 通過(guò)CBE加工的鋼的顯微組織演變

圖3 化學(xué)界面工程制備的鋼的EBSD與TEM分析

通過(guò)化學(xué)界面工程處理，低碳中錳鋼獲得了獨(dú)特的顯微組織，與傳統(tǒng)ART處理的鋼相比，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高，而伸長(zhǎng)率幾乎沒(méi)有損失。中錳鋼強(qiáng)度達(dá)到2041MPa以上時(shí)，依然保持著20.1%的延伸率。強(qiáng)度的提升一方面是因超細(xì)組織能夠阻礙晶粒間的位錯(cuò)滑移；另一方面是化學(xué)界面工程處理后鋼的屈服行為類似于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料屈服，由馬氏體框架引起的微機(jī)械行為導(dǎo)致強(qiáng)度的增加。伸長(zhǎng)率幾乎沒(méi)有損失是因?yàn)榛瘜W(xué)界面工程能夠增強(qiáng)相變誘導(dǎo)可塑性（TRIP）效應(yīng)。通過(guò)操控化學(xué)界面工程中化學(xué)界面的數(shù)量可以調(diào)控合金的力學(xué)性能。

圖4 鋼的力學(xué)性能

這種馬氏體框架與前段時(shí)間哈爾濱工程大學(xué)張中武教授團(tuán)隊(duì)的研究成果頗有神似之處，張教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一條反常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了具有框架結(jié)構(gòu)的時(shí)效馬氏體-奧氏體雙相鋼。該方法利用雙相鋼中的硬相即時(shí)效馬氏體控制塑性變形并構(gòu)成顯微框架結(jié)構(gòu)，軟相奧氏體被包裹在馬氏體形成的框架中。不僅實(shí)現(xiàn)了在馬氏體-奧氏體雙相鋼中通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)效處理提高硬相而使強(qiáng)度和塑性同時(shí)成倍提高，也可能為新型雙相合金的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。（點(diǎn)擊了解詳情）

圖5 化學(xué)界面工程鋼變形過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化

總的來(lái)說(shuō)，本研究通過(guò)化學(xué)界面工程方法獲得了具有獨(dú)特組織的超高強(qiáng)度鋼，所用合金成分簡(jiǎn)單，不需要高含碳量或者貴重元素，開(kāi)辟了替代晶界工程的新方法?；瘜W(xué)界面工程原則上可以拓展到其他合金體系中，也可能用作一種表面處理工藝。