快速共格无序析出：规模化制备 高强韧孪晶钢新途径
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研究背景
长期以来，钢铁材料以其优异的机械性能和低廉的价格在国民经济、国防建设和人民生活中起着不可或缺的作用。然而，随着近年来节能减排成为人类社会发展的重中之重，作为降低能耗最为直接有效的途径，交通工具的轻量化设计已经成为交通运输业发展的新共识。因此，开发性能更加优异且适合规模生产的新型钢材不仅是实现车辆轻型化设计的前提条件，而且市场需求潜力巨大。
孪晶钢具有卓越的成形性能、抗拉强度（800-1000MPa）和均匀延展性（≥50%），极端应变条件下吸能性能优异，是汽车轻型化设计的理想材料。但低屈服强度（~300MPa）是限制其实际应用的一个关键因素。细晶强化是同时提升材料强度和韧性的重要途径。然而，由于孪晶钢在冷却过程中不具备固态相变，因此不能像低合金高强钢一样可通过轧制和快速冷却等工艺达到细化晶粒的目的。不具备固态相变的金属材料，通常采用等通道转角挤压、高压扭转等剧塑性变形手段来制备细晶结构。但是，这些技术生产成本高、样品尺寸小，而且细晶材料中通常含有高密度位错、空位等晶体缺陷，大大降低其均匀延展性，且不能规模化生产。
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快速共格析出制备高强韧
超细晶奥氏体钢
为解决超细晶奥氏体钢的规模化制备技术问题以及其强塑性倒置关系，研究人员研发了一种新型晶粒细化技术。该技术的核心是如何在再结晶过程中实现瞬时高密度晶内析出来抑制亚微米晶粒长大，并且该析出相不限制位错滑移和栾晶生成，同时实现高强度和高延展性。研究人员首次提出引入共格无序的析出相，共格能够显著降低析出形核势垒，无序能够降低孕育期，实现快速高密度晶内析出，及时钉扎再结晶的亚微米晶粒的晶界。析出相长大的驱动力是界面能，由于共格界面的界面能很低，该析出相非常稳定，能够持续提供有效的钉扎压力，获得稳定的超细晶组织，利于规模化生产。尤为重要的是，晶粒细化技术可以通过简单的轧制和退火制备超细晶奥氏体钢，突破了超细晶奥氏体钢规模化制备的技术瓶颈。该晶粒细化技术具有一定的普适性，对其他合金体系的晶粒细化具有一定指导意义。为此，本文总结了以下关键合金元素选择标准：1）该元素的加入能够促使析出相在再结晶温度区间析出；2）该元素不与基体元素形成中间相；3）该元素应与基体有相同的晶体结构和基本相同的晶体参数。国际性科技期刊《Nature》于2021年2月10日在线发表了上述研究成果。
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新型超细晶钢的结构与稳定性研究
如图1所示，往经典的Fe-22Mn-0.6C（wt.%）孪晶钢中加入4wt.%Cu（下文分别简称为0Cu和4Cu），然后通过简单的轧制和在760℃退火5min，成功在4Cu中制备出超细晶结构。EBSD结果显示，4Cu的晶粒尺寸为0.8±0.4µm（见图1a），而0Cu的晶粒尺寸为2.1±0.7µm（见图1b）。ADF-STEM结果图显示（见图1c和1d），在4Cu的晶粒内部存在高密度共格无序富Cu析出相。3D-APT结果显示析出相的尺寸为5.6±2.5nm，密度高达4.6×1023m-3，Cu含量为84±6at.%。在晶界附近除了微量的C偏析外，没有其他元素偏析，因此不会弱化晶界，有助于提升力学性能。
研究人员分别从退火温度和时间两个维度分析了超细晶组织的稳定性。图2a和2b显示，在760℃下保温1h后，4Cu的平均晶粒尺寸仅从5min退火后的0.8µm长大到1.3µm，而0Cu的平均晶粒尺寸从2.1µm增长到了5.7µm。当温度从760℃上升到910℃时，4Cu的平均晶粒尺寸仅从0.8µm长大到1.4µm，超细晶组织极其稳定，而0Cu的平均晶粒尺寸从2.1µm长大到了6.3µm，如图2c和2d所示。以上结果表明，无序共格析出还可以大幅度提高纳米材料、超细晶材料的组织热稳定性。
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新型超细晶孪晶钢的力学性能测试
及与其他高性能合金性能对比
相比0Cu，4Cu的屈服强度和抗拉强度分别从380MPa和1450MPa提升到710MPa和1950MPa，同时保持了与微米晶孪晶钢相当的均匀延伸率。与其他高性能合金材料相比，4Cu具有非常优异的综合机械性能。与目前汽车工业广泛应用的屈服强度在600-700MPa的双相钢和TRIP钢相比，4Cu的强塑积至少是其两倍以上。同时，4Cu的强塑积也显著高于普通的超细晶孪晶钢。由此可见，共格无序析出相不仅可以细化晶粒，而且能进一步提升力学性能。
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共格无序析出相对孪晶生成
和位错滑移的影响
为准确揭示纳米共格无序析出相对位错滑移和孪晶生成的影响，作者制备了0Cu超细晶孪晶钢，并对15%和45%应变后0Cu和4Cu的组织进行了分析。共格无序的析出相与位错的相互作用弱，因此不显著限制位错滑移和孪晶生成；由于富Cu析出相具有较高的层错能，能一定程度上阻碍肖克来半位错（leading partial）切过，因此能显著阻碍孪晶生长，增加孪晶密度，使4Cu具有更强的动态强化能力，在提高抗拉强度的同时保持了较高的塑性。尤为重要的是，在这些高密度的纳米孪晶内部与基体中均发现了大量的纳米位错包，说明这些高密度形变纳米孪晶并未显著降低材料的位错存储能力，有助于进一步提升材料性能。
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结论
晶粒细化是同时提升材料强度与韧性的重要途径。然而超细晶材料的工业化制备仅限于几种具有固态相变细化的合金。该新型晶粒细化技术可以通过简单的轧制和退火工艺制备超细晶奥氏体钢，极大简化了超细晶材料制备工艺和成本，突破了超细晶奥氏体钢规模化制备的技术瓶颈。由于共格无序析出相与位错相互作用弱且能细化形变孪晶，能进一步提升材料的动态加工硬化能力，同时实现高强度和高均匀延展性，因此为超细孪晶钢规模化生产及应用奠定了基础。（高军恒 蒋虽合 吕昭平）