Nature: 高强度和高延展性的大块超细晶钢

引言

为了通过简单的制造路线制备具有高强度和高延展性的块状超细晶钢，采用了一种典型的Fe–22Mn–0.6C孪生诱导塑性（TWIP）钢，并在其中合金化了3 wt%和4 wt%的铜，这使得在再结晶温度下能够快速且充分地发生纳米沉淀。Fe–22Mn–0.6C及掺铜的Fe–22Mn–0.6C–3Cu和Fe–22Mn–0.6C–4Cu钢分别称为0Cu、3Cu和4Cu。

图文导读

图1 力学性能。a，760 °C下退火5分钟（0Cu，3Cu，4Cu）和20分钟（0Cu和4Cu）超细晶钢的室温拉伸应力-应变曲线。屈服强度用实心红色圆圈表示。插图显示了在760 °C下退火5分钟的0Cu、3Cu和4Cu的相应归一化应变硬化响应（dσ/dε）/σ。每种条件下至少测试了五个样本。b，760 °C下退火5分钟的0Cu、3Cu和4Cu的应变硬化响应（dσ/dε）。c，σuts与均匀延伸的乘积与在760 °C下退火5分钟的3Cu和4Cu的屈服强度进行比较，并与文献中报告的其他高性能材料的值进行对比。

图2 a, b, 同步辐射高能XRD图谱（a）和EBSD图（b）显示出单一面心立方相及其超细结构。a中的插图展示了晶粒尺寸分布。RD为轧制方向；ND为法向方向。c, ADF-STEM图像显示了高密度的晶内纳米沉淀物（亮色颗粒）。插图为标记区域的STEM EDS-SI图像。d, 原子分辨率的ADF-STEM图像展示了富铜纳米沉淀物的完全相干无序特性。e, 相关的透射电子显微镜（TEM，左）和原子探针层析（APT，右）分析显示了两个晶界（GB）处富铜纳米沉淀物的尺寸、形态和空间分布。f, 近邻直方图显示了一个纳米沉淀物（在e中用绿色方框标记）处的成分变化。g, 在e中突出显示的圆柱区域的一维浓度分布图，显示在晶界处没有明显的元素偏析。在f和g中，误差条为均值的标准偏差，等浓度表面为20 at% Cu。

图3 a，0Cu、3Cu和4Cu在760、810、860和910°C下退火5分钟后的晶粒尺寸演变。插图为650–950°C温度范围内基体中计算的平衡铜溶解度。b，0Cu和4Cu在760°C下退火时间（从5分钟到60分钟）对晶粒尺寸演变的影响。4Cu表现出最稳定的超细晶结构，表明其具有较宽的热机械加工窗口。误差条表示晶粒尺寸分布的宽度。

图4 a、b、ABF-STEM图像（左），APT数据的三维重建（中）以及对应的两个析出物的邻近直方图（右），这些析出物在重建中用蓝色方框标记，分别为在760°C下退火0.5分钟（a）和2分钟（b）的4Cu，展示了再结晶和纳米析出随退火时间的进展。c、再结晶的驱动力、晶粒生长的驱动力和Zener钉扎压力随退火时间的演变。d、e、4Cu在760°C下退火5分钟（d）和20分钟（e）的ABF-STEM图像（左）及其对应的STEM EDS-SI图像（右），展示了Zener钉扎的证据。f、高分辨率透射电子显微镜图像显示一个在晶界处的纳米析出物，呈现出与收缩晶粒的相干界面。在a–c中，误差条表示均值的标准偏差。a和b中的等浓度面分别为15 at%和20 at% Cu

图5 a, b, 预拉伸至15%的超细晶0Cu（a）和4Cu（b）的明场透射电子显微镜（TEM）图像，显示出密集的位错墙（红色箭头）、位错细胞（蓝色箭头）以及两种合金中间距为300–500纳米的纳米孪晶。c, d, 预拉伸至45%的0Cu（c）和4Cu（d）的暗场TEM图像。a–d中的插图显示了相应的选区电子衍射（SAED）图案。e–h, 4Cu在15%（e, g）和45%（f, h）预拉伸下的原子探针断层成像（APT）重建（e, f）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）图像及相应的STEM能谱成像（g, h），展示了纳米沉淀物随应变的发展及其与纳米孪晶的相互作用。

结论

本研究提出了一种简单但可靠的方法来开发无晶体缺陷的块状超细晶结构。这种细晶粒细化策略导致了超细晶结构的发展，这些结构不仅高度稳定，而且与金属材料的典型变形机制（如位错运动和增殖、相变诱导塑性和TWIP）兼容，从而利用细晶粒的存在，显著增强超细晶合金的整体机械性能。合金设计原则和战略元素（本研究中的铜）选择标准在方法部分进行了总结。该概念可以扩展到其它合金系统，并促进先进金属材料的探索和开发。

文献链接

Nature: Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03246-3

选自微信公众号 金属材料学