北科呂昭平團隊等Nature:一種具有高強度和延展性的大規模制備超細晶結構的簡便策略

【引言】

眾所周知，亞微米級晶粒尺寸的鋼通常具有很高的韌性和強度，這使其在輕量化技術和節能策略方面很有前途。迄今為止，工業制造超細晶（UFG）合金，其通常依賴于通常依賴于擴散相變，這導致工業制造僅限于奧氏體到鐵素體轉變的鋼。與傳統的粗晶材料相比，超細晶材料具有低熔點、高韌性、高強度等諸多優異的力學性能。超細晶材料的制備方法通常包括：等徑彎曲通道變形（ECAP）、累積疊軋變形（ARB）、高壓扭轉變形（HPT）等劇烈塑性變形法。上述方法可以制備尺寸較大的塊體超細晶金屬材料，但在工業化生產上存在一些不足。由此可見，現有工藝技術僅適合制備形狀簡單的超細晶塊體材料。此外，這些UFG鋼的有限加工硬化和均勻延伸率阻礙了它們的廣泛應用。

近日，英國謝菲爾德大學W. Mark Rainforth教授，北京科技大學呂昭平教授和蔣雖合，以及美國國家標準與技術研究院Huairuo Zhang（通訊作者）報告了通過少量的銅合金化和通過晶粒內納米沉淀（在30秒內）對相干無序富銅的重結晶過程，在典型的Fe-22Mn-0.6C孿生誘發塑性（TWIP）鋼中實現UFG結構的大量生產。快速而豐富的納米沉淀不僅阻止了新的重結晶亞微米晶粒的生長，而且通過Zener釘扎機制增強了所獲得的UFG結構的熱穩定性。此外，由于其充分的連貫性和無序的性質，沉淀物在載荷作用下與位錯的相互作用較弱。這種方法可以制備晶粒尺寸為800±400納米的完全重結晶的UFG結構，而不會引入有害的晶格缺陷，如脆性顆粒和偏析的邊界。與不添加銅的鋼相比，UFG結構的屈服強度增加了一倍，達到約710兆帕，均勻延展性為45％，拉伸強度約為2000兆帕。這種細化晶粒的策略促進了UFG結構的發展，結構不僅高度穩定，而且還與金屬材料的典型變形機制兼容，從而利用了細晶粒的存在，大大提高了UFG合金的整體機械性能。這種晶粒細化的概念應該可以擴展到其他合金系統，并且制造過程可以很容易地應用于現有的工業生產線。相關研究成果以“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖一、機械性能

圖二、在760°C下退火5分鐘的4Cu的微觀結構表征

圖三、退火溫度和時間對UFG結構的影響

圖四、有效晶粒細化和高熱穩定性的機制

圖五、UFG 0Cu和4Cu的變形微觀結構

文獻鏈接：“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03246-3)

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