南京理工：強度大於2GPa！創紀錄的低碳低成本納米鋼

導讀：本研究通過熱軋使異質結構與可控的溶質擴散和偏析相結合，提供了一種以前尚未探索的策略，生產出具有創紀錄的17.8nm的層狀間距的塊狀納米鋼，具有2.05GPa的屈服強度和2.15GPa的極限強度。且工藝具有很好的工業化潛力。

鋼是進入工業時代以來應用最廣泛的結構材料。超強性能與低成本是大規模工業應用的兩大挑戰。已經開發出多種方法來增強鋼材的性能，其中增加碳含量是最有效和最經濟的方法。然而增加碳含量可能會導致一些負面作用，例如降低焊接性及加工性能。因此工程師和科學家們探索了替代方法。最近，大塑性變形（SPD）技術已被開發，以產生超強的納米結構材料。SPD技術通常應用非常大的應變，促使金屬的晶粒尺寸下降到超細晶（100-1000nm）甚至納米晶（<100nm）。但是，SPD技術生產超高強度材料成本較高，嚴重阻礙SPD在工業生產中的應用。

南京理工大學等單位的研究人員在最新研究中，利用微觀結構的異質性和間隙原子來追求低碳鋼的極端結構細化。通過在300℃進行簡單的熱軋，生產了具有創紀錄的納米層狀間距約17.8nm的塊狀超強（強度> 2GPa）低碳鋼，使SPD在鋼廠現有設備的情況下具有應用的可能。相關論文於以題為「Ultrastrong low-carbon nanosteel produced by heterostructure and interstitial mediated warm rolling」發表在Science Advances。

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eaba8169

本研究使用的低碳鋼成分為：Fe-0.19C-1.01Mn-1.46Si。雙相鋼的加工可分為三個連續步驟：首先是950℃×60min後水淬使鋼中形成高密度的板條馬氏體；然後進行820℃×10min的臨界退火，淬火後得到超細纖維狀鐵素體-馬氏體雙相纖維的超微結構；最後通過一定溫度下軋制進一步改善材料的顯微組織，試驗時選取溫度從室溫-350℃不等進行對比分析，在設定溫度下預熱20min，軋制前厚度為8mm，單次軋制厚度減少0.5mm。

研究發現室溫冷軋條件下，厚度減少30%、60%和90%時，屈服強度分別為1.01、1.25和1.58GPa，在300℃進行熱軋減少相同厚度時屈服強度更高，分別為1.49、1.73和2.05GPa。這是由於在300℃的熱軋溫度下馬氏體片的機械相容性增強和可塑性提高所致。熱軋後馬氏體和鐵素體的共晶形成得到增強，降低了馬氏體和鐵素體片層之間的機械不相容性。

圖1 掃描電子顯微鏡圖像和典型鋼材樣品的力學性能

圖2 顯微組織的TEM表徵（冷軋-CR；熱軋-WR）

圖3 冷軋和熱軋樣品的APT分析

間隙碳原子也可以動態地阻礙位錯運動和釘扎位錯，碳原子向鐵素體的擴散實質上有助於極度的晶粒細化和鐵素體相中位錯含量的增加。超高強度的關鍵因素包括層狀間距對軟鐵素體進行霍爾-佩奇強化，提高晶內位錯密度產生位錯強化以及額外的從馬氏體區擴散的碳溶質產生固溶強化。

圖4 在300℃下顯微組織穩定性的原位TEM觀察

圖5 各加工方法機械性能對比

總的來說，本文證實了可以通過標準工業工藝有效地探索含間隙的異質結構，以加工穩定的納米層狀結構。本文為大規模工業製造中生產強度高而成本低的鋼提供了一種以前未探索過，可行且經濟的方法。（文：破風）

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。