研究背景

長期以來，鋼鐵材料以其優(yōu)異的機械性能和低廉的價格在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和人民生活中起著不可或缺的作用。然而，隨著近年來節(jié)能減排成為人類社會發(fā)展的重中之重，作為降低能耗最為直接有效的途徑，交通工具的輕量化設(shè)計已經(jīng)成為交通運輸業(yè)發(fā)展的新共識。因此，開發(fā)性能更加優(yōu)異且適合規(guī)模生產(chǎn)的新型鋼材不僅是實現(xiàn)車輛輕型化設(shè)計的前提條件，而且市場需求潛力巨大。

孿晶鋼具有卓越的成形性能、抗拉強度（800-1000MPa）和均勻延展性（≥50%），極端應變條件下吸能性能優(yōu)異，是汽車輕型化設(shè)計的理想材料。但低屈服強度（~300MPa）是限制其實際應用的一個關(guān)鍵因素。細晶強化是同時提升材料強度和韌性的重要途徑。然而，由于孿晶鋼在冷卻過程中不具備固態(tài)相變，因此不能像低合金高強鋼一樣可通過軋制和快速冷卻等工藝達到細化晶粒的目的。不具備固態(tài)相變的金屬材料，通常采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)等劇塑性變形手段來制備細晶結(jié)構(gòu)。但是，這些技術(shù)生產(chǎn)成本高、樣品尺寸小，而且細晶材料中通常含有高密度位錯、空位等晶體缺陷，大大降低其均勻延展性，且不能規(guī)?；a(chǎn)。

快速共格析出制備高強韌

超細晶奧氏體鋼

為解決超細晶奧氏體鋼的規(guī)?；苽浼夹g(shù)問題以及其強塑性倒置關(guān)系，研究人員研發(fā)了一種新型晶粒細化技術(shù)。該技術(shù)的核心是如何在再結(jié)晶過程中實現(xiàn)瞬時高密度晶內(nèi)析出來抑制亞微米晶粒長大，并且該析出相不限制位錯滑移和欒晶生成，同時實現(xiàn)高強度和高延展性。研究人員首次提出引入共格無序的析出相，共格能夠顯著降低析出形核勢壘，無序能夠降低孕育期，實現(xiàn)快速高密度晶內(nèi)析出，及時釘扎再結(jié)晶的亞微米晶粒的晶界。析出相長大的驅(qū)動力是界面能，由于共格界面的界面能很低，該析出相非常穩(wěn)定，能夠持續(xù)提供有效的釘扎壓力，獲得穩(wěn)定的超細晶組織，利于規(guī)?；a(chǎn)。尤為重要的是，晶粒細化技術(shù)可以通過簡單的軋制和退火制備超細晶奧氏體鋼，突破了超細晶奧氏體鋼規(guī)?；苽涞募夹g(shù)瓶頸。該晶粒細化技術(shù)具有一定的普適性，對其他合金體系的晶粒細化具有一定指導意義。為此，本文總結(jié)了以下關(guān)鍵合金元素選擇標準：1）該元素的加入能夠促使析出相在再結(jié)晶溫度區(qū)間析出；2）該元素不與基體元素形成中間相；3）該元素應與基體有相同的晶體結(jié)構(gòu)和基本相同的晶體參數(shù)。國際性科技期刊《Nature》于2021年2月10日在線發(fā)表了上述研究成果。

新型超細晶鋼的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性研究

如圖1所示，往經(jīng)典的Fe-22Mn-0.6C（wt.%）孿晶鋼中加入4wt.%Cu（下文分別簡稱為0Cu和4Cu），然后通過簡單的軋制和在760℃退火5min，成功在4Cu中制備出超細晶結(jié)構(gòu)。EBSD結(jié)果顯示，4Cu的晶粒尺寸為0.8±0.4μm（見圖1a），而0Cu的晶粒尺寸為2.1±0.7μm（見圖1b）。ADF-STEM結(jié)果圖顯示（見圖1c和1d），在4Cu的晶粒內(nèi)部存在高密度共格無序富Cu析出相。3D-APT結(jié)果顯示析出相的尺寸為5.6±2.5nm，密度高達4.6×1023m-3，Cu含量為84±6at.%。在晶界附近除了微量的C偏析外，沒有其他元素偏析，因此不會弱化晶界，有助于提升力學性能。

研究人員分別從退火溫度和時間兩個維度分析了超細晶組織的穩(wěn)定性。圖2a和2b顯示，在760℃下保溫1h后，4Cu的平均晶粒尺寸僅從5min退火后的0.8μm長大到1.3μm，而0Cu的平均晶粒尺寸從2.1μm增長到了5.7μm。當溫度從760℃上升到910℃時，4Cu的平均晶粒尺寸僅從0.8μm長大到1.4μm，超細晶組織極其穩(wěn)定，而0Cu的平均晶粒尺寸從2.1μm長大到了6.3μm，如圖2c和2d所示。以上結(jié)果表明，無序共格析出還可以大幅度提高納米材料、超細晶材料的組織熱穩(wěn)定性。

新型超細晶孿晶鋼的力學性能測試

及與其他高性能合金性能對比

相比0Cu，4Cu的屈服強度和抗拉強度分別從380MPa和1450MPa提升到710MPa和1950MPa，同時保持了與微米晶孿晶鋼相當?shù)木鶆蜓由炻?。與其他高性能合金材料相比，4Cu具有非常優(yōu)異的綜合機械性能。與目前汽車工業(yè)廣泛應用的屈服強度在600-700MPa的雙相鋼和TRIP鋼相比，4Cu的強塑積至少是其兩倍以上。同時，4Cu的強塑積也顯著高于普通的超細晶孿晶鋼。由此可見，共格無序析出相不僅可以細化晶粒，而且能進一步提升力學性能。

共格無序析出相對孿晶生成

和位錯滑移的影響

為準確揭示納米共格無序析出相對位錯滑移和孿晶生成的影響，作者制備了0Cu超細晶孿晶鋼，并對15%和45%應變后0Cu和4Cu的組織進行了分析。共格無序的析出相與位錯的相互作用弱，因此不顯著限制位錯滑移和孿晶生成；由于富Cu析出相具有較高的層錯能，能一定程度上阻礙肖克來半位錯（leading partial）切過，因此能顯著阻礙孿晶生長，增加孿晶密度，使4Cu具有更強的動態(tài)強化能力，在提高抗拉強度的同時保持了較高的塑性。尤為重要的是，在這些高密度的納米孿晶內(nèi)部與基體中均發(fā)現(xiàn)了大量的納米位錯包，說明這些高密度形變納米孿晶并未顯著降低材料的位錯存儲能力，有助于進一步提升材料性能。

結(jié)論

晶粒細化是同時提升材料強度與韌性的重要途徑。然而超細晶材料的工業(yè)化制備僅限于幾種具有固態(tài)相變細化的合金。該新型晶粒細化技術(shù)可以通過簡單的軋制和退火工藝制備超細晶奧氏體鋼，極大簡化了超細晶材料制備工藝和成本，突破了超細晶奧氏體鋼規(guī)?；苽涞募夹g(shù)瓶頸。由于共格無序析出相與位錯相互作用弱且能細化形變孿晶，能進一步提升材料的動態(tài)加工硬化能力，同時實現(xiàn)高強度和高均勻延展性，因此為超細孿晶鋼規(guī)?；a(chǎn)及應用奠定了基礎(chǔ)。（高軍恒 蔣雖合 呂昭平）