導(dǎo)讀：本文采用塑性變形和部分再結(jié)晶的方法制備了體積納米孿晶固溶奧氏體鋼。隨后的時(shí)效處理導(dǎo)致γ -素?cái)?shù)相沿孿晶邊界大量析出。這些納米沉淀物在兩側(cè)與奧氏體基體共滲，即繼承孿晶界。受這些納米沉淀物約束的納米孿晶表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性，并有效地阻礙了位錯(cuò)在高溫下的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，該材料在700℃時(shí)的屈服強(qiáng)度高達(dá)780 MPa。與峰時(shí)效粗晶試樣相比，含有約49 %納米孿晶與第二相結(jié)合的試樣在700℃時(shí)的強(qiáng)度提高了約60%。這種納米孿晶和納米沉淀物的聯(lián)合強(qiáng)化為材料在高溫下的進(jìn)一步強(qiáng)化提供了一種新的策略。

提高材料在高溫下的力學(xué)性能一直是材料科學(xué)家的研究熱點(diǎn)，這也是航空航天、能源等領(lǐng)域的重要需求。目前提高金屬材料高溫強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法是合金化，即在材料中加入耐火元素，利用第二相析出物或固溶原子來(lái)減少位錯(cuò)。然而，這種強(qiáng)化策略的效果受到固溶元素溶解度的限制。因此，在高溫下，需要另外的強(qiáng)化策略對(duì)于進(jìn)一步改善材料機(jī)械性能。

本文引入高密度晶界(GBs)來(lái)細(xì)化晶粒可以有效地在室溫下強(qiáng)化金屬材料。例如，將純鋁和純銅的晶粒細(xì)化到100 nm以下，屈服強(qiáng)度成倍增加，它們的納米晶合金甚至比一些商用鋼更強(qiáng)。在許多合金體系中，高密度晶界強(qiáng)化甚至超過(guò)了析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。然而，金屬材料溫度升高會(huì)加劇原子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)小時(shí)速度提高，高密度晶界滑動(dòng)增加，從而減弱了高密度晶界的強(qiáng)化作用。

與傳統(tǒng)的大角度晶界相比，雙晶界具有較好的熱穩(wěn)定性。例如，納米孿晶Cu不同于室溫下晶粒粗化，而納米孿晶銅的粗化溫度可達(dá)800℃。這是由于孿晶界具有較低的多余能量(為大角度高密度晶界的10%)和零曲率特性。因此，孿晶界有望在高溫下存活，然后作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的屏障。無(wú)論是純金屬還是合金，納米孿晶結(jié)構(gòu)在室溫下都具有高強(qiáng)化能力。此外，有研究表明，孿晶邊界上的沉淀物可以進(jìn)一步提高納米孿晶的穩(wěn)定性，并協(xié)同增強(qiáng)其強(qiáng)度。因此，納米孿晶結(jié)合納米沉淀物在改善高溫力學(xué)性能方面具有很大的潛力。

本文試圖通過(guò)塑性變形，以及時(shí)效處理，將高密度納米孿晶和納米沉淀物引入奧氏體鋼。結(jié)果表明，樣品中嵌有大量的納米孿晶束，在共格孿晶邊界處排列著極細(xì)的析出相。這種新的結(jié)構(gòu)使樣品在25至800℃的整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)具有很高的屈服強(qiáng)度。通過(guò)電鏡觀察對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的表征，并對(duì)強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了探討。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉東陽(yáng)等教授相關(guān)研究以“Enhanced high-temperature strength of austenitic steels by nanotwins and nanoprecipitates”為題發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223006590

圖1所示。典型的EBSD圖(a)反極圖和(b)晶界顯示了DA樣品的混合微觀結(jié)構(gòu)，包括雙束、再結(jié)晶晶粒和位錯(cuò)區(qū)域。(b)中的“Σ3”指雙邊界。(c)納米孿晶，(d)再結(jié)晶晶粒，(e)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的典型亮場(chǎng)TEM圖像。(c-e)中的插圖是相應(yīng)區(qū)域的SAED模式。

圖2所示。(a) DAA樣品中納米孿晶區(qū)的暗場(chǎng)TEM圖像。插圖是相應(yīng)的SAED圖案和析出物的尺寸分布。(b)典型納米孿晶區(qū)的掃描TEM圖像及相應(yīng)的能譜圖。(c)沿[110]區(qū)軸拍攝的高分辨率掃描TEM圖像和(d)相應(yīng)的EDS分析。(e) l12結(jié)構(gòu)Ni3(Ti, Al)相的晶體模型。(f) (c)的快速傅里葉變換模式。

圖3 (a) DAA樣品中典型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(DS)區(qū)域的亮場(chǎng)TEM圖像和(b)能譜圖。(c) DAA樣品中典型再結(jié)晶(SRX)區(qū)域的亮場(chǎng)TEM圖像和(d) EDS映射。

圖 4 (a)環(huán)境溫度和高溫下DAA試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)不同試樣在600℃拉伸溫度下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) DAA和峰時(shí)效粗晶(PA-CG)試樣的屈服強(qiáng)度隨變形溫度的變化。

綜上所述，無(wú)論是在常溫下還是在高溫下，納米孿晶的高密度都必然在強(qiáng)化中起著關(guān)鍵作用。米孿晶結(jié)合納米沉淀物具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，這是其在高溫下具有優(yōu)異強(qiáng)化效果的必要前提。透射電鏡結(jié)果顯示，用米孿晶結(jié)合納米沉淀物，在高溫下可以阻止位錯(cuò)發(fā)生。

上述討論表明，當(dāng)納米晶存在于孿晶邊界處時(shí)，納米孿晶可以在高溫下保持高強(qiáng)度。納米孿晶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的結(jié)構(gòu)提供的強(qiáng)化效果。如圖4c所示，復(fù)合強(qiáng)化使該試樣的高溫強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗粒試樣。與相同變形溫度下的峰時(shí)效粗晶試樣相比，600℃時(shí)的強(qiáng)度提高了45%。在700℃時(shí)，雖然由于位錯(cuò)恢復(fù)加速，難以有效積累大量位錯(cuò)，導(dǎo)致工作軟化(圖4a)，但穩(wěn)定的納米孿晶和納米沉淀沒有明顯粗化，強(qiáng)度提高了60%。在800℃時(shí)，盡管強(qiáng)度迅速降低，但仍比粗晶試樣高36%。

孿晶和析出物在合金中并不罕見，特別是在高合金鋼中。本文通過(guò)塑性變形成功地將納米孿晶引入固溶奧氏體鋼中，隨之的時(shí)效處理又促使許多γ′相顆粒在納米孿晶束內(nèi)析出。這些細(xì)小的析出相有規(guī)律地分布在共格孿晶界上，與穩(wěn)定的孿晶界一起促成了優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。該納米孿晶和納米沉淀物的聯(lián)合強(qiáng)化策略有望拓展高溫下金屬材料的應(yīng)用。