中南大學(xué)重磅Science！高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域重大突破！極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)2 GPa
2024-05-31 14:23:07
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)
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近年來(lái)，低溫金屬材料在液化天然氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存等方面起著至關(guān)重要的作用。在金屬材料強(qiáng)化過(guò)程中，強(qiáng)化效應(yīng)源于對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的抵抗力，即金屬材料中線性塑性所具有的晶格缺陷。研究顯示，此過(guò)程可以通過(guò)分散相干顆粒來(lái)進(jìn)行，且位錯(cuò)必須在較高應(yīng)力下通過(guò)這些顆粒，也可以通過(guò)Orowan位錯(cuò)環(huán)迫使位錯(cuò)繞過(guò)不可穿透的析出物，Orowan位錯(cuò)環(huán)是一種位錯(cuò)纏繞析出物的機(jī)制，也需要應(yīng)力增量。其中，毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的顆粒粗化是老化過(guò)程中發(fā)生的一種過(guò)程，通常將機(jī)制從前者轉(zhuǎn)移到后者，即從位錯(cuò)切割到彎曲和循環(huán)，而在析出物硬化合金體系中，反向轉(zhuǎn)變通常仍然難以捉摸。雖然Orowan位錯(cuò)環(huán)機(jī)制具有顯著提升的性能，但與不可穿透顆粒周圍的位錯(cuò)堆積有關(guān)，這增加了由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致材料失效的可能性。在此，中南大學(xué)王章維教授，宋旼教授和德國(guó)馬克斯普朗克研究所Dierk Raabe院士（共同通訊作者）開發(fā)了一種在液氮溫度下仍具有良好延展性的高強(qiáng)度鋼。這種鋼含有鐵、錳、鋁、鎳和碳，并形成了具有局部有序區(qū)和納米析出物的高強(qiáng)度基體。究其原因，本文的高強(qiáng)度是固溶強(qiáng)化的結(jié)果，這種強(qiáng)化效果足夠高，以至于通常較脆的納米顆粒反而會(huì)被剪切并產(chǎn)生變形，這使得高強(qiáng)度鋼的抗脆性斷裂性能優(yōu)于其他低溫結(jié)構(gòu)材料。進(jìn)一步研究顯示，本文通過(guò)引入了一種從Orowan位錯(cuò)環(huán)到位錯(cuò)切割的轉(zhuǎn)變，且該材料由B2（有序體心立方體，BCC）金屬間化合物作為析出物強(qiáng)化。這種通用方法表明，通過(guò)實(shí)現(xiàn)足夠高的基質(zhì)應(yīng)力水平，可以將原本容易損壞的Orowan環(huán)效應(yīng)增強(qiáng)為顆粒剪切機(jī)制，而不會(huì)在異質(zhì)界面處產(chǎn)生損傷成核。這種轉(zhuǎn)變促進(jìn)了整個(gè)材料的延展性響應(yīng)，而不是脆性響應(yīng)，同時(shí)也為輕質(zhì)成分復(fù)雜鋼（CCS）提供了相當(dāng)大的強(qiáng)化效果，極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)2 GPa。因此，本文的研究揭示了一條開發(fā)強(qiáng)韌和延展性金屬材料的新途徑。相關(guān)研究成果以“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”為題發(fā)表在Science上。1、本文通過(guò)引入了一種從Orowan位錯(cuò)環(huán)到位錯(cuò)切割的轉(zhuǎn)變，且該材料由B2（有序體心立方體，BCC）金屬間化合物作為析出物強(qiáng)化；2、本文提出的策略促進(jìn)了整個(gè)材料的延展性響應(yīng)，而不是脆性響應(yīng)，同時(shí)也為輕質(zhì)成分復(fù)雜鋼（CCS）提供了相當(dāng)大的強(qiáng)化效果，使極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)2 GPa。圖一、分層CCS的微觀結(jié)構(gòu) © 2024 AAAS圖二、CCS的低溫機(jī)械性能測(cè)試© 2024 AAAS圖三、位錯(cuò)滑移對(duì)LCO和B2顆粒的剪切作用© 2024 AAAS圖四、CCS在低溫拉伸變形過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變© 2024 AAAS綜上所述，作者通過(guò)在金屬合金中使用第二相進(jìn)行析出硬化，基于大量固溶強(qiáng)化增強(qiáng)了相鄰的奧氏體基體，從而實(shí)現(xiàn)了延展性大幅度提高。結(jié)果顯示，CCS中堆疊斷層和納米孿晶的出現(xiàn)歸因于較低溫度下堆疊斷層能量的降低，以及低溫變形過(guò)程中遇到的流動(dòng)應(yīng)力增強(qiáng)，其堆疊能量在接近液氮溫度時(shí)降低至36 mJ/m2。這種效應(yīng)可以激活堆垛故障和機(jī)械孿晶。此外，在10%高應(yīng)力水平下達(dá)到1973 MPa的真實(shí)應(yīng)力，促進(jìn)了堆積斷層和機(jī)械孿生的形成。這些平面缺陷引入了高密度的額外界面，通過(guò)減少它們的平均自由程來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這一效應(yīng)利用了實(shí)質(zhì)性的強(qiáng)化和應(yīng)變硬化效應(yīng)。
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