中南大学，今日重磅Science

析出物对于制备机械强度高的金属材料至关重要。

在此，中南大学王章维教授，宋旼教授和德国马克斯-普朗克研究所Dierk Raabe院士等人报道了在低温拉伸加载过程中，B2（有序体心立方）纳米析出物（通常被认为是不可剪切的金属间化合物）在轻质成分复杂钢中的位错切割。其中，得益于亚纳米级局部化学有序区的实质性提升和基体中多主元素的明显固溶强化，增强的奥氏体基体内位错滑移使得剪切成为可能。这种机制不仅利用了其他不可穿透的脆性纳米沉淀所提供的强烈强化和应变硬化，而且还通过其持续变形的连续剪切引入了延展性。因此，本文制备钢材料显示了超高的低温抗拉强度（高达2GPa），且拉伸伸长率高达34%，从而揭示了一种设计高性能结构材料的新策略。

相关文章以“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”为题发表在Science上。

通常情况下，合金的机械强度可以通过第二相的存在得到大幅提高。为了实现第二相的高度分散，亚稳态固溶体在中等同源温度下的淬火和老化是一种标准方法，这一过程被称为析出硬化。自一个多世纪前应用于铝合金以来，一直是金属材料强化的基础。据了解，硬化效应源于对位错运动的抵抗力，即金属材料中线性塑性具有的晶格缺陷。该过程可以通过分散相干颗粒来进行，位错必须在较高应力下通过这些颗粒，也可以通过 Orowan环迫使位错绕过不可穿透的析出物，Orowan环是一种位错缠绕析出物的机制，也需要应力增量。毛细管驱动的颗粒粗化是老化过程中发生的一种过程，通常将机制从前者转移到后者，即从位错切割到弯曲和循环，而在沉淀硬化合金体系中，反向转变通常仍然难以捉摸。

然而，Orowan环机制虽然具有显著的增强性，但与不可穿透颗粒周围的位错堆积有关，这增加了由于应力集中而导致材料脱落的可能性。这种现象通常使基体和硬质颗粒之间的界面容易发生裂纹成核，导致合金的延展顺应性和抗损伤承载能力大幅降低，这在单轴拉伸试验中通过其延展性进行量化。因此，这种基本的权衡问题引发了将相干纳米沉淀物引入合金中的努力，以促进有益的强度-延展性调节，轻质钢、高强度铝合金和某些中熵或高熵合金 （M/HEA）就是例证。

为了实现上述想法，本文引入了一种从Orowan环到位错切割的范式转变，该材料由B2（有序体心立方体，BCC）金属间化合物作为析出物强化。在拉伸变形过程中，B2相历来被认为是面心立方（FCC）合金中的不可剪切相，这一进步使研究者能够充分利用与位错弯曲相关的强化和应变硬化效应的潜力，同时通过这些析出物的位错切割来利用最终应力松弛的延展性优势，展示了一种针对低温应用的轻质成分复杂钢（CCS），以应对对运输部门和液体气体能源载体分子存储需求的激增，这也是全球能源供应的新兴基础。

图1.CCS的微观结构表征

具体来说，本文已经实现了在分层结构CCS的低温变形过程中B2金属间化合物的切割，其纳米结构层次结构包括B2金属间纳米析出物（~195 nm）和亚纳米级（~5 Å）局部化学有序（LCO）区。其中，由高数量密度的LCO区（3.6×1017 m-2）提供的有序强化，与具有多个主元素的奥氏体基体的固溶强化相结合，产生了高于1GPa的摩擦应力。

结果显示，位错滑移所需的如此高的基质应力水平使得在近液氮温度下的拉伸变形时，位错滑移通过强但通常脆性的B2相，这归因于基体的位错流动应力变得如此之高，使得它能够克服剪切B2颗粒所需的应力势垒。

图2. CCS的低温力学性能。

图3：通过位错滑移LCO和B2颗粒得到的剪切。

图4：低温拉伸变形过程中CCS的微观结构演化。

综上所述，在金属合金中使用精细分散的第二相进行析出物硬化是结构材料设计的基本原则，本文报告了这一原则的范式转变，揭示了脆性、不连贯和不可剪切的B2金属间化合物可以通过LCO和大量固溶强化邻近的奥氏体基体来实现韧性。这一范例是通过将B2颗粒周围的变形机制从Orowan环和位错堆积改变为颗粒剪切来实现的。通过这种方法，本文为这一领域添加了一种新描述的变形机制，从而为在超高强度和韧性金属合金中应用金属间相作为韧性强化特征提供了机会。

Feng Wang†, Miao Song†, Mohamed N. Elkot, Ning Yao, Binhan Sun, Min Song*, Zhangwei Wang*, Dierk Raabe*, Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels. (2024)