Science：东北大学发表最新成果，这一领域实现新突破！
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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。 突破金属材料性能极限是近年来材料领域研究的热点与难点。
鉴于此，近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。 研究提出了马氏体/奥氏体多层次结构设计新理念， 充分挖掘材料潜力，加深了对马氏体结构调控以及变形机理的理解和认识，对推动低成本、大尺寸超高强塑性钢铁材料的制备和应用具有重大现实意义。该研究不仅对于钢铁材料，也为其他超高强塑性金属材料的开发制备提供了新的研究思路。
图文导读
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。
图1| Fe-7.4Mn-0.34C- 1Si-0.2V钢的组织演变
图2|新型超高强钢与其他超高强钢的拉伸性能对比
图3|Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的显微组织
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 4|目前Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的变形组织
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%。
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。
参考文献：
D. Raabe, C. C. Tasan, E. A. Olivetti, Strategies for improving the sustainability of structural metals. Nature575, 64–74 (2019).
X. Li, K. Lu, Playing with defects in metals. Nat. Mater.16, 700–701 (2017). DOI: 10.1126/science.add7857
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857
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