北科大呂昭平Nature重磅：最低晶格錯配與高密度納米析出相聯手打造超強鋼！

【前言】

作為一種先進的超高強韌鋼鐵材料，馬氏體時效鋼在航空航天、高速列車、先進核能和清潔能源以及國防領域發揮著關鍵作用，因而具有重要的應用價值。傳統馬氏體時效鋼的強化機制始終是基于半共格析出的金屬間化合物微顆粒的增強作用，由于基體與結構迥異增強相的半共格界面關系，導致顆粒分布不均勻，同時造成嚴重的共格畸變，從而在材料承載時易萌生裂紋或者局部應變，這極大的限制了材料的韌塑性同時影響材料服役的安全性和可靠性。此外，傳統馬氏體時效鋼含有大量昂貴金屬元素，制備過程需要反復精煉等非常嚴格的控制，這些都嚴重限制該類超高強鋼的應用，成為困擾高端鋼鐵工業發展的難題。

【成果簡介】

針對上述問題，北京科技大學呂昭平教授課題組通過創新超高強度鋼的合金設計理念，發展了超強韌的高密度有序Ni(Al,Fe)納米顆粒強化高性能新型馬氏體時效鋼，其中抗拉強度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8% 。新型超高強韌鋼的強化主要是基于最低錯配度下獲得最大程度彌散析出和高剪切應力的創新思想，即一方面通過“點陣錯配度最小化”，顯著降低金屬間化合物顆粒析出的形核勢壘，促進顆粒均勻彌散分布，并顯著提高強化顆粒的體積密度和熱穩定性，低錯配度共格界面結合小尺度有效緩解增強顆粒周邊微觀彈性畸變，改善材料宏觀均勻塑性變形能力；另一方面，引入“有序效應”作為主要強化機制，有效阻礙位錯對增強相顆粒的切過作用，從而獲得優異綜合性能的新型馬氏體時效鋼。除此之外，新型超強韌馬氏體時效鋼通過采用Al元素代替傳統馬氏體時效鋼中昂貴的合金元素，可添加傳統馬氏體時效鋼所避免的C元素，初步實現了高端鋼鐵材料的制備工藝簡化和低成本的目標，不但有力地推動該類材料的實際工程應用，同時為新型超高強度材料的發展打開了新的研究思路。該最新研究成果發表在2017年4月10日Nature上，題目“Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation”。

【圖文解讀】

圖一、Ni(Al,Fe)-馬氏體時效鋼在固溶退火（950℃下15min）和時效（500℃下3h）狀態下的機械性質和STEM圖

圖二、利用高分辨HAADF圖和APT數據3D重建確定具全晶格匹配的析出相B2結構性質

圖三、原子探針分析析出相的體層攝影和成分

圖四、同步輻射XRD結果表明bcc基底和B2析出相間整體相位轉變和極低的晶格錯配

原文鏈接：Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22032）

本文由材料人學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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