馬普所《Nature》子刊：調(diào)控溶質(zhì)偏析和納米析出獲得超高強(qiáng)鋼！
每年生產(chǎn)約20億噸合金，這需要改變?cè)O(shè)計(jì)理念使材料更加環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。在主要的合金強(qiáng)化機(jī)制中，尺寸在納米范圍內(nèi)的高彌散第二相析出相，對(duì)于獲得超高強(qiáng)度特別有效。
在此，來(lái)自德國(guó)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(xù)鋼的替代策略，通過(guò)第二相納米沉淀使其變得超強(qiáng)。相關(guān)論文以題為A sustainable ultra-high strength Fe18Mn3Ti maraging steel through controlled solute segregation and α-Mn nanoprecipitation發(fā)表在Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30019-x
鋼，無(wú)處不在，使多種關(guān)鍵技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)——從劍到蒸汽機(jī)、汽車、橋梁、摩天大樓、風(fēng)力磨坊到人類的平板家具中的螺絲釘。鋼是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)金屬合金，也是一個(gè)密集研發(fā)的領(lǐng)域，每年都會(huì)設(shè)計(jì)出許多新的變體，有時(shí)甚至是納米級(jí)以上的變體。冶金學(xué)的最新趨勢(shì)是通過(guò)高合金化成分調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)新的機(jī)械性能，可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)責(zé)任的目標(biāo)，鼓勵(lì)人們轉(zhuǎn)而使用精益成分和納米結(jié)構(gòu)調(diào)整。在這種情況下，中錳鋼已經(jīng)成為一種吸引人的高強(qiáng)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(guò)馬氏體相變生產(chǎn)的，即將面心立方(FCC)奧氏體(γ)高溫相淬火為過(guò)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(wěn)態(tài)富錳馬氏體相退火，觸發(fā)奧氏體形核，在此之前，Mn會(huì)在馬氏體內(nèi)部的眾多晶界和位錯(cuò)處偏析(吸附)。該體系中較強(qiáng)的偏析傾向與Fe的鐵磁性和Mn的反鐵磁性有關(guān)。圖1b顯示了僅使用α相計(jì)算的亞穩(wěn)態(tài)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(shù)Fe-Mn合金相對(duì)較稀，整體含量在4-12wt .%之間，這種偏析通常發(fā)生在晶界處，最終導(dǎo)致第二相的非均勻形核。
圖1 材料的設(shè)計(jì)理念。
在此，研究者設(shè)計(jì)了一種成分貧瘠的Fe18Mn3Ti (wt%)超高強(qiáng)度鋼，易發(fā)生均相分解，在分離的輔助下，由地殼中最豐富的三種過(guò)渡金屬組成。該合金成分被設(shè)計(jì)成在450°C左右的預(yù)定時(shí)效溫度下不穩(wěn)定，不受成分波動(dòng)的影響。這些波動(dòng)是α-Mn納米析出相形核的前驅(qū)體，可以降低基體中位錯(cuò)的遷移率，從而使馬氏體基體發(fā)生沉淀強(qiáng)化。研究者通過(guò)加入3 wt.% Ti，使奧氏體在淬火和冷軋過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)棣?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(jié)構(gòu))，穩(wěn)定第二相α-Mn析出相。這種策略，避免了在常規(guī)超高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼中添加Co和Mo等導(dǎo)致金屬間析出的關(guān)鍵元素。Ni也完全被Mn取代，Mn參與了奧氏體的穩(wěn)定和沉淀的形成。
圖2 微觀結(jié)構(gòu)分析。
圖3 HRTEM鑒定。
圖4 機(jī)械性能和表現(xiàn)。
圖5 強(qiáng)度影響。
圖6 應(yīng)用潛力。
綜上所述，盡管許多其他金屬合金最近已被報(bào)道表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，但它們的廣泛和整體用途往往因其生產(chǎn)和制造的規(guī)模，不夠甚至不可能擴(kuò)大而受到阻礙。這些合金，可能具有特殊的強(qiáng)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(yīng)用受到嚴(yán)重限制。
在圖6a, b中，研究者繪制了不同超高強(qiáng)度鋼及其各自抗拉強(qiáng)度的估計(jì)合金化成本和豐富度風(fēng)險(xiǎn)水平(ARL)。ARL是根據(jù)地殼的自然豐度估算的。藍(lán)線所劃定的合金是高鈷?cǎi)R氏體時(shí)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(jì)比最昂貴的含鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼的合金化成本高出3倍，但性能卻無(wú)法與之相比。這些材料的合金化成本，估計(jì)比最昂貴的含鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼的合金化成本高出3倍，但性能卻無(wú)法與之相比。研究者的Fe18Mn3Ti合金與低Co等級(jí)的含鎳馬氏體時(shí)效鋼相比具有相似的抗拉強(qiáng)度，含鎳馬氏體時(shí)效鋼中含有高達(dá)4wt .%的金屬間沉淀Mo。這些圖表清楚地顯示了精益合金設(shè)計(jì)概念的重要性，例如，研究者在這里應(yīng)用的新型Fe18Mn3Ti合金。
對(duì)比表明，在協(xié)調(diào)關(guān)鍵的工程材料特性，如減輕運(yùn)輸重量，使用超高強(qiáng)度材料來(lái)減少能源消耗，以及更負(fù)責(zé)地使用合金元素來(lái)實(shí)現(xiàn)這些材料時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的社會(huì)的最高效益。（文：水生）
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