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馬普所《Nature》子刊：調控溶質偏析和納米析出獲得超高強鋼！

2022-06-20 10:58:36 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

每年生產約20億噸合金，這需要改變設計理念使材料更加環保、經濟和社會可持續發展。在主要的合金強化機制中，尺寸在納米范圍內的高彌散第二相析出相，對于獲得超高強度特別有效。

在此，來自德國馬克思普朗克研究所的A. Kwiatkowski da Silva等研究者，提出了一種基于分離的可持續鋼的替代策略，通過第二相納米沉淀使其變得超強。相關論文以題為“A sustainable ultra-high strength Fe18Mn3Ti maraging steel through controlled solute segregation and α-Mn nanoprecipitation”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30019-x

鋼，無處不在，使多種關鍵技術得以實現——從劍到蒸汽機、汽車、橋梁、摩天大樓、風力磨坊到人類的平板家具中的螺絲釘。鋼是應用最廣泛的結構金屬合金，也是一個密集研發的領域，每年都會設計出許多新的變體，有時甚至是納米級以上的變體。冶金學的最新趨勢是通過高合金化成分調整來實現新的機械性能，可持續發展和社會責任的目標，鼓勵人們轉而使用精益成分和納米結構調整。在這種情況下，中錳鋼已經成為一種吸引人的高強度合金，它依靠地球上豐富的錳作為主要的合金元素。這些鋼通常是通過馬氏體相變生產的，即將面心立方（FCC）奧氏體（γ）高溫相淬火為過飽和體心立方（BCC）鐵素體（α）相。

圖1a為鐵錳二元相圖。隨后，亞穩態富錳馬氏體相退火，觸發奧氏體形核，在此之前，Mn會在馬氏體內部的眾多晶界和位錯處偏析（吸附）。該體系中較強的偏析傾向與Fe的鐵磁性和Mn的反鐵磁性有關。圖1b顯示了僅使用α相計算的亞穩態Fe-Mn相圖。Fe和Mn的混合物在α1（富鐵，鐵磁性）和α2（富錳，順磁性）兩相中傾向于相分離。由于大多數Fe-Mn合金相對較稀，整體含量在4-12wt .%之間，這種偏析通常發生在晶界處，最終導致第二相的非均勻形核。

圖1 材料的設計理念。

在此，研究者設計了一種成分貧瘠的Fe18Mn3Ti （wt%）超高強度鋼，易發生均相分解，在分離的輔助下，由地殼中最豐富的三種過渡金屬組成。該合金成分被設計成在450°C左右的預定時效溫度下不穩定，不受成分波動的影響。這些波動是α-Mn納米析出相形核的前驅體，可以降低基體中位錯的遷移率，從而使馬氏體基體發生沉淀強化。研究者通過加入3 wt.% Ti，使奧氏體在淬火和冷軋過程中轉變為α-馬氏體，防止大量殘余奧氏體和ε-馬氏體（具有六邊形晶格結構），穩定第二相α-Mn析出相。這種策略，避免了在常規超高強度馬氏體時效鋼中添加Co和Mo等導致金屬間析出的關鍵元素。Ni也完全被Mn取代，Mn參與了奧氏體的穩定和沉淀的形成。

圖2 微觀結構分析。

圖3 HRTEM鑒定。

圖4 機械性能和表現。

圖5 強度影響。

圖6 應用潛力。

綜上所述，盡管許多其他金屬合金最近已被報道表現出優異的力學性能，但它們的廣泛和整體用途往往因其生產和制造的規模，不夠甚至不可能擴大而受到阻礙。這些合金，可能具有特殊的強度和韌性組合，然而，由于其高昂的成本，主要是由于其高鎳、鈷和耐火元素的含量，它們的應用受到嚴重限制。

在圖6a, b中，研究者繪制了不同超高強度鋼及其各自抗拉強度的估計合金化成本和豐富度風險水平（ARL）。ARL是根據地殼的自然豐度估算的。藍線所劃定的合金是高鈷馬氏體時效鋼。研究者還加入了兩種高Co （FeCoCrNiMn和CoNiCr）多組分材料，稱為高或中熵合金。這些材料的合金化成本估計比最昂貴的含鈷馬氏體時效鋼的合金化成本高出3倍，但性能卻無法與之相比。這些材料的合金化成本，估計比最昂貴的含鈷馬氏體時效鋼的合金化成本高出3倍，但性能卻無法與之相比。研究者的Fe18Mn3Ti合金與低Co等級的含鎳馬氏體時效鋼相比具有相似的抗拉強度，含鎳馬氏體時效鋼中含有高達4wt .%的金屬間沉淀Mo。這些圖表清楚地顯示了精益合金設計概念的重要性，例如，研究者在這里應用的新型Fe18Mn3Ti合金。

對比表明，在協調關鍵的工程材料特性，如減輕運輸重量，使用超高強度材料來減少能源消耗，以及更負責地使用合金元素來實現這些材料時，可以實現更可持續的社會的最高效益。

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