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来源： iNature
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从交通运输到轻量化设计再到安全的基础设施，所有部门都需要机械强度和延展性的承重材料。然而，一个巨大的挑战是在一种材料中统一这两种功能。
2023年1月12日，东北大学袁国课题组与李琳琳课题组和德国马普学会钢铁研究所Dierk Rolf Raabe课题组合作在Science杂志在线发表题为“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”的研究论文，该研究表明，在均匀伸长率>20%的情况下，普通中锰钢可以加工成抗拉强度>2.2吉帕斯卡。这需要多个横向锻造、深冷处理和回火步骤的组合。由层状和双重拓扑排列的马氏体与精细分散的保留奥氏体组成的分层微结构同时激活多种微观机制来增强和延展性材料。组织良好的马氏体中的位错滑移和渐进变形刺激相变协同作用产生了较高的延性。
总之，该研究提出的纳米结构设计策略可以生产出强度为20亿帕斯卡且具有延展性的钢，这些钢具有吸引人的成分，并具有大规模工业生产的潜力。
散装金属材料和延展性，以及精益和可持续的化学成分，是运输、建筑和基础设施轻量化和安全所必需的。然而，在大多数金属材料中，强度的增加是以牺牲延展性为代价的，表现出强度-延展性的权衡。这限制了高强度合金的加工性和损伤容限，而这是加工和应用所必需的特性。马氏体时效钢是一种典型的超高强度合金，其强度达到2GPa，几乎是所有大体积生产的结构金属和合金的最高强度。马氏体时效钢的强度来自马氏体基体和纳米尺寸的细金属间相，这些金属间相与相邻晶格的晶格失配很小，可以在不牺牲延展性的情况下增强合金。亚稳奥氏体可以引入马氏体基体中，利用相变诱导塑性(transformationinduced plasticity, TRIP)效应同步强化和延展性这种高强度钢。这些方法的缺点是使用昂贵的和战略上有限的合金元素，如Co, Ni, Mo，或Ti，这妥协了这些合金的可持续性，使延展性的增加仍然有限。
最近，在变形和分块(deformed and partitioned, D&P)钢中，高密度马氏体位错已被证明可以有效地通过位错林硬化提高屈服强度，并通过移动位错的滑动提高延展性。此外，奥氏体内部的化学不连续作为中锰钢的化学边界，可以有效地提高强度和延展性，甚至提高钢的抗氢脆性。化学边界的引入产生了可变奥氏体稳定性的亚微米区域，迫使马氏体转变为极细的马氏体-奥氏体微观结构，并增强了TRIP效应。采用这种位错和基于化学边界的工程策略，可以生产出均匀伸长率高于15%的钢材，抗拉强度水平可达2GPa。然而，这些钢显示广泛的Lüders带或Portevin-Le Châtelier带。这些是由不均匀塑性流动机制产生的锯齿形变形模式，导致不希望的变形不均匀性。此外，制造这些钢材所需的加工步骤(包括热轧、热轧、冷轧和快速加热等)相当复杂，导致其生产效率低下且成本高昂。因此，寻求延展性、可持续和具有成本效益的2-GPa钢本身是一个未解决的问题。
马氏体是所有这些超高强度钢的主要组织成分，通常以无序的方式拓扑排列，也就是说，不遵循任何拓扑设计或形状标准。间隙碳的过饱和导致其分层组织和四方变形，使其具有较高的强度，但也易脆性。然而，马氏体的拓扑有序排列有助于将脆性转化为延性。例如，在具有层状马氏体或棱柱状马氏体的钢中，强度、延展性和韧性可以通过沿晶界或相界的特定位置分层而显著提高。特别是，界面对齐在这些类型的微观组织的延展性中可以发挥关键作用。此外，具有良好取向和拓扑排列的马氏体可获得高界面和体塑性。
图1. Fe-7.4Mn-0.34C- 1Si-0.2V钢的组织演变（图源自Science ）
考虑到所有这些结构优势，该研究开发了一种简单高效的锻造路线，随后进行深度深冷处理和回火，以实现成分平淡的中锰钢的这些拓扑特征。材料的层次结构包括组织良好的马氏体结构和在细化的棱镜形母奥氏体中形成的亚稳奥氏体。术语“组织良好”是指双重拓扑排列的马氏体(0°和40至50°)，如下所解释。这些分层纳米结构钢的抗拉强度值为2.0至2.4 GPa，均匀伸长率为18至25%，总伸长率为24至30%。
图2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的变形组织（图源自Science ）
总的来说，该研究发现一种由铁、锰、硅、碳和钒组成的高强度钢可以用不同的加工策略制成。锻造、低温处理和回火的结合创造了具有非常高强度的合金，同时具有良好的延展性和可成形性。这种策略应该是其他钢成分的选择。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857
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