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前沿| 中南大学合作最新Science 两江科技评论
2024-06-01
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导读：沉淀物对于制造机械强度高的金属材料至关重要。


沉淀物对于制造机械强度高的金属材料至关重要。

2024年5月30日，中南大学宋旼、王章维及德国马克斯·普朗克可持续材料研究所Dierk Raabe共同通讯在Science 在线发表题为“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”的研究论文，该研究报道了B2(有序体心立方)纳米沉淀(通常被认为是不可剪切的金属间化合物)在低温拉伸加载过程中在轻质复合钢中的位错切削。

由于亚纳米尺度的局部化学有序区和基体中多主元素显著的固溶体强化，奥氏体基体中位错滑动的高强度使剪切成为可能。这种机制不仅利用了难以穿透的脆性纳米沉淀所提供的强强化和应变硬化，而且还通过其连续剪切和持续变形引入了延展性。因此，该材展示了超高的低温拉伸强度，高达2千兆帕斯卡，拉伸伸长率达到34%。这项研究揭示了设计高性能结构材料的新策略。


由于二次相的存在，合金的机械强度可以大大提高。为了实现第二相的高分散，在适度的同源温度下对亚稳固溶体进行淬火和时效是一种标准方法。这一过程被称为沉淀硬化，自一个多世纪前在铝合金中引入以来一直是金属材料强化的基础。强化效果源于对位错运动的抵抗，即金属材料中携带线性塑性的晶格缺陷。这个过程可以通过分散相干粒子进行，位错必须在更高的应力下通过，或者通过Orowan环迫使位错绕过不可穿透的沉淀，这是一种位错缠绕在沉淀周围的机制，也需要应力增量。在时效过程中发生的毛细管驱动的颗粒粗化过程通常将机制从前者转变为后者，即从位错切削转变为弯曲和环，而在沉淀硬化合金系统中通常仍然难以实现相反的转变。
然而，Orowan循环机制虽然提供了大量的强化，但与不可穿透颗粒周围的位错堆积有关，这增加了由于应力集中而导致材料退聚的可能性。这种现象通常使基体和硬颗粒之间的界面容易产生裂纹成核，导致合金的延性柔度和耐损伤承载能力大幅降低。这种基本的权衡问题促使人们努力将相干纳米沉淀引入合金中，以促进有益的强度与延性协调，例如马氏体时效、轻钢、高强度铝合金和某些中熵或高熵合金(M/HEAs)。
分层CCS的微观结构（图源自Science ）
该研究通过在金属合金中使用精细分散的第二相进行沉淀硬化是结构材料设计中的一个基本原则。研究人员报告了这一原理的范式转变，揭示了脆性、非共格和不可剪切的B2金属间化合物可以通过LCO和大量固溶强化来增强邻近的奥氏体基体，从而使其具有延展性。这种模式是通过改变B2颗粒周围的变形机制，从Orowan环和位错堆积到颗粒剪切来实现的。通过这种方法，该研究为该领域增加了一种新的变形机制，这为将金属间相作为韧性增强特征应用于超高强度和延展性金属合金提供了机会。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2919

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