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馬普所《Nature》子刊：調(diào)控溶質(zhì)偏析和納米析出獲得超高強(qiáng)鋼！

2022-06-20 10:58:36 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

每年生產(chǎn)約20億噸合金，這需要改變設(shè)計理念使材料更加環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展。在主要的合金強(qiáng)化機(jī)制中，尺寸在納米范圍內(nèi)的高彌散第二相析出相，對于獲得超高強(qiáng)度特別有效。

在此，來自德國馬克思普朗克研究所的A. Kwiatkowski da Silva等研究者，提出了一種基于分離的可持續(xù)鋼的替代策略，通過第二相納米沉淀使其變得超強(qiáng)。相關(guān)論文以題為“A sustainable ultra-high strength Fe18Mn3Ti maraging steel through controlled solute segregation and α-Mn nanoprecipitation”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30019-x

鋼，無處不在，使多種關(guān)鍵技術(shù)得以實現(xiàn)——從劍到蒸汽機(jī)、汽車、橋梁、摩天大樓、風(fēng)力磨坊到人類的平板家具中的螺絲釘。鋼是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)金屬合金，也是一個密集研發(fā)的領(lǐng)域，每年都會設(shè)計出許多新的變體，有時甚至是納米級以上的變體。冶金學(xué)的最新趨勢是通過高合金化成分調(diào)整來實現(xiàn)新的機(jī)械性能，可持續(xù)發(fā)展和社會責(zé)任的目標(biāo)，鼓勵人們轉(zhuǎn)而使用精益成分和納米結(jié)構(gòu)調(diào)整。在這種情況下，中錳鋼已經(jīng)成為一種吸引人的高強(qiáng)度合金，它依靠地球上豐富的錳作為主要的合金元素。這些鋼通常是通過馬氏體相變生產(chǎn)的，即將面心立方（FCC）奧氏體（γ）高溫相淬火為過飽和體心立方（BCC）鐵素體（α）相。

圖1a為鐵錳二元相圖。隨后，亞穩(wěn)態(tài)富錳馬氏體相退火，觸發(fā)奧氏體形核，在此之前，Mn會在馬氏體內(nèi)部的眾多晶界和位錯處偏析（吸附）。該體系中較強(qiáng)的偏析傾向與Fe的鐵磁性和Mn的反鐵磁性有關(guān)。圖1b顯示了僅使用α相計算的亞穩(wěn)態(tài)Fe-Mn相圖。Fe和Mn的混合物在α1（富鐵，鐵磁性）和α2（富錳，順磁性）兩相中傾向于相分離。由于大多數(shù)Fe-Mn合金相對較稀，整體含量在4-12wt .%之間，這種偏析通常發(fā)生在晶界處，最終導(dǎo)致第二相的非均勻形核。

圖1 材料的設(shè)計理念。

在此，研究者設(shè)計了一種成分貧瘠的Fe18Mn3Ti （wt%）超高強(qiáng)度鋼，易發(fā)生均相分解，在分離的輔助下，由地殼中最豐富的三種過渡金屬組成。該合金成分被設(shè)計成在450°C左右的預(yù)定時效溫度下不穩(wěn)定，不受成分波動的影響。這些波動是α-Mn納米析出相形核的前驅(qū)體，可以降低基體中位錯的遷移率，從而使馬氏體基體發(fā)生沉淀強(qiáng)化。研究者通過加入3 wt.% Ti，使奧氏體在淬火和冷軋過程中轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-馬氏體，防止大量殘余奧氏體和ε-馬氏體（具有六邊形晶格結(jié)構(gòu)），穩(wěn)定第二相α-Mn析出相。這種策略，避免了在常規(guī)超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼中添加Co和Mo等導(dǎo)致金屬間析出的關(guān)鍵元素。Ni也完全被Mn取代，Mn參與了奧氏體的穩(wěn)定和沉淀的形成。

圖2 微觀結(jié)構(gòu)分析。

圖3 HRTEM鑒定。

圖4 機(jī)械性能和表現(xiàn)。

圖5 強(qiáng)度影響。

圖6 應(yīng)用潛力。

綜上所述，盡管許多其他金屬合金最近已被報道表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，但它們的廣泛和整體用途往往因其生產(chǎn)和制造的規(guī)模，不夠甚至不可能擴(kuò)大而受到阻礙。這些合金，可能具有特殊的強(qiáng)度和韌性組合，然而，由于其高昂的成本，主要是由于其高鎳、鈷和耐火元素的含量，它們的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。

在圖6a, b中，研究者繪制了不同超高強(qiáng)度鋼及其各自抗拉強(qiáng)度的估計合金化成本和豐富度風(fēng)險水平（ARL）。ARL是根據(jù)地殼的自然豐度估算的。藍(lán)線所劃定的合金是高鈷馬氏體時效鋼。研究者還加入了兩種高Co （FeCoCrNiMn和CoNiCr）多組分材料，稱為高或中熵合金。這些材料的合金化成本估計比最昂貴的含鈷馬氏體時效鋼的合金化成本高出3倍，但性能卻無法與之相比。這些材料的合金化成本，估計比最昂貴的含鈷馬氏體時效鋼的合金化成本高出3倍，但性能卻無法與之相比。研究者的Fe18Mn3Ti合金與低Co等級的含鎳馬氏體時效鋼相比具有相似的抗拉強(qiáng)度，含鎳馬氏體時效鋼中含有高達(dá)4wt .%的金屬間沉淀Mo。這些圖表清楚地顯示了精益合金設(shè)計概念的重要性，例如，研究者在這里應(yīng)用的新型Fe18Mn3Ti合金。

對比表明，在協(xié)調(diào)關(guān)鍵的工程材料特性，如減輕運輸重量，使用超高強(qiáng)度材料來減少能源消耗，以及更負(fù)責(zé)地使用合金元素來實現(xiàn)這些材料時，可以實現(xiàn)更可持續(xù)的社會的最高效益。

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