清华大学材料学院Science Advances：化学界面工程——一种新的合金设计方法！

【背景介绍】

晶界工程是金属材料合金设计的一个重要概念，可以同时提高材料的强度和塑性。然而，高密度晶界的高温稳定性差，在热处理过程中容易发生快速移动，无法限制后续相变产物从而细化最终组织。针对上述问题，清华大学科研人员提出了化学界面工程（Chemical boundary engineering, CEB）的概念，和晶界不同，化学界面处的成分不连续性会降低固态相变的局部驱动力，从而阻止相变的进行，达到细化组织的目的。科研人员将化学界面工程成功应用于低碳钢中，实现了抗拉强度超过2GPa且保证可观塑性的优异性能。

【成果简介】

清华大学研究人员从相变角度出发，提出了一种实现合金高强高韧的新概念——化学界面工程（Chemical boundary engineering, CEB）。研究人员结合快速热处理工艺，成功将此概念应用于低碳中锰钢中。首先将两相区退火完成后的中锰钢（铁素体+残余奥氏体组织）快速加热到奥氏体单相区然后直接冷却到室温。由于原铁素体和残余奥氏体界面存在Mn元素的不连续性，利用快速加热技术可以保证在高温奥氏体相区下形成尖锐的、厚度在几个纳米尺度的化学界面。此化学界面使得冷却过程中的马氏体相变限制于亚微米的区域，同时对未转变的奥氏体产生大量的相变应变，因此最终组织为超细马氏体+纳米孪晶奥氏体。坚硬的马氏体网络基体提供了超高的屈服强度而残余奥氏体的TRIP效应保证了可观的塑性。这一新奇的组织极大地提高了中锰钢的强度和塑性，实现了抗拉强度2GPa、塑性超过20%的优异性能。

【图文导读】

图1 相界、晶界和化学界面的比较示意图

（A）PB：相界，不同晶格类型的晶粒间的界面

（B）GB：晶界，相同晶格类型但不同晶体学取向的晶粒间的界面

（C）CB：化学界面，晶粒内部化学成分不连续的界面。化学界面处不存在晶体结构或晶格取向的变化。

图2 利用化学界面工程策略处理前后的组织

（A）两相区退火完成后的EBSD组织表征：红色代表FCC相（残余奥氏体），此图表明两相区退火完成后的组织为等轴的奥氏体和铁素体；

（B）快速加热和淬火过程中组织演变的示意图：化学界面存在于完全奥氏体化后的组织中（B₂），化学界面会阻碍马氏体相变，其影响主要体现在淬火后的组织中（B₃）；

（C）利用化学界面工程策略处理后的EBSD组织表征：红色代表FCC相（残余奥氏体），此图表明两相区退火完成后的组织为奥氏体和马氏体；

（D、E） 两相区退火完成后，奥氏体和铁素体中Mn元素分布的TME-EDS表征

（F、G） 快速加热淬火后，奥氏体和马氏体中Mn元素分布的TME-EDS表征

（H、I） 两相区退火完成后，奥氏体和铁素体中Mn元素分布的3D-APT表征

（J、K） 快速加热淬火后，奥氏体和马氏体中Mn元素分布的3D-APT表征

图3 力学性能

（A）成分为Fe-0.18C-8Mn（%）中锰钢的力学性能：ART表示两相区退火处理的样品；CBE表示利用CBE策略处理的样品；Refined CBE表示组织细化处理的CBE样品；

（B）成分为Fe-0.2C-8Mn-0.2Mo-0.05Nb（%）中锰钢的力学性能：Micro-alloyed ART表示两相区退火处理的微合金化样品；Micro-alloyed CBE表示利用CBE策略处理的微合金化样品；

（C）力学性能的比较

【总结】

本研究表明，化学界面工程（CBE）作为一种新型的合金设计方法，可以达到和晶界工程相媲美的组织调控目的，同时解决晶界工程中晶界热稳定性差的问题，为金属材料的性能锦上添花！

【文献信息】

Chemical boundary engineering: a new route towards lean, ultrastrong yet ductile steels （Science Advances, 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aay1430）