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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) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近年來，低溫金屬材料在液化天然氣的運(yùn)輸和儲存等方面起著至關(guān)重要的作用。在金屬材料強(qiáng)化過程中，強(qiáng)化效應(yīng)源于對位錯運(yùn)動的抵抗力，即金屬材料中線性塑性所具有的晶格缺陷。研究顯示，此過程可以通過分散相干顆粒來進(jìn)行，且位錯必須在較高應(yīng)力下通過這些顆粒，也可以通過Orowan位錯環(huán)迫使位錯繞過不可穿透的析出物，Orowan位錯環(huán)是一種位錯纏繞析出物的機(jī)制，也需要應(yīng)力增量。其中，毛細(xì)管驅(qū)動的顆粒粗化是老化過程中發(fā)生的一種過程，通常將機(jī)制從前者轉(zhuǎn)移到后者，即從位錯切割到彎曲和循環(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，本文通過引入了一種從Orowan位錯環(huán)到位錯切割的轉(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)了整個材料的延展性響應(yīng)，而不是脆性響應(yīng)，同時也為輕質(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。

【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1、本文通過引入了一種從Orowan位錯環(huán)到位錯切割的轉(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)了整個材料的延展性響應(yīng)，而不是脆性響應(yīng)，同時也為輕質(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。

【數(shù)據(jù)概覽】

【成果啟示】

綜上所述，作者通過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，以及低溫變形過程中遇到的流動應(yīng)力增強(qiáng)，其堆疊能量在接近液氮溫度時降低至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，通過減少它們的平均自由程來阻礙位錯運(yùn)動，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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