中南大学粉末冶金国家重点实验室，今日重磅Science！

【导读】

近年来，低温金属材料在液化天然气的运输和储存等方面起着至关重要的作用。在金属材料强化过程中，强化效应源于对位错运动的抵抗力，即金属材料中线性塑性所具有的晶格缺陷。研究显示，此过程可以通过分散相干颗粒来进行，且位错必须在较高应力下通过这些颗粒，也可以通过Orowan位错环迫使位错绕过不可穿透的析出物，Orowan位错环是一种位错缠绕析出物的机制，也需要应力增量。其中，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，而在析出物硬化合金体系中，反向转变通常仍然难以捉摸。虽然Orowan位错环机制具有显著提升的性能，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失效的可能性。

【成果掠影】

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（共同通讯作者）开发了一种在液氮温度下仍具有良好延展性的高强度钢。这种钢含有铁、锰、铝、镍和碳，并形成了具有局部有序区和纳米析出物的高强度基体。究其原因，本文的高强度是固溶强化的结果，这种强化效果足够高，以至于通常较脆的纳米颗粒反而会被剪切并产生变形，这使得高强度钢的抗脆性断裂性能优于其他低温结构材料。进一步研究显示，本文通过引入了一种从Orowan位错环到位错切割的转变，且该材料由B2（有序体心立方体，BCC）金属间化合物作为析出物强化。这种通用方法表明，通过实现足够高的基质应力水平，可以将原本容易损坏的Orowan环效应增强为颗粒剪切机制，而不会在异质界面处产生损伤成核。这种转变促进了整个材料的延展性响应，而不是脆性响应，同时也为轻质成分复杂钢（CCS）提供了相当大的强化效果，极限抗拉强度高达2 GPa。因此，本文的研究揭示了一条开发强韧和延展性金属材料的新途径。

相关研究成果以“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”为题发表在Science上。

【核心创新点】

1.本文通过引入了一种从Orowan位错环到位错切割的转变，且该材料由B2（有序体心立方体，BCC）金属间化合物作为析出物强化；

2.本文提出的策略促进了整个材料的延展性响应，而不是脆性响应，同时也为轻质成分复杂钢（CCS）提供了相当大的强化效果，使极限抗拉强度高达2 GPa。

【数据概览】

图一、分层CCS的微观结构© 2024 AAAS

图二、CCS的低温机械性能测试© 2024 AAAS

图三、位错滑移对LCO和B2颗粒的剪切作用© 2024 AAAS

图四、CCS在低温拉伸变形过程中的微观结构演变© 2024 AAAS

【成果启示】

综上所述，作者通过在金属合金中使用第二相进行析出硬化，基于大量固溶强化增强了相邻的奥氏体基体，从而实现了延展性大幅度提高。结果显示，CCS中堆叠断层和纳米孪晶的出现归因于较低温度下堆叠断层能量的降低，以及低温变形过程中遇到的流动应力增强，其堆叠能量在接近液氮温度时降低至36 mJ/m²。这种效应可以激活堆垛故障和机械孪晶。此外，在10%高应力水平下达到1973 MPa的真实应力，促进了堆积断层和机械孪生的形成。这些平面缺陷引入了高密度的额外界面，通过减少它们的平均自由程来阻碍位错运动，这一效应利用了实质性的强化和应变硬化效应。

文献链接：“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”（Science，2024，10.1126/science.ado2919）

本文由材料人CYM编译供稿。