北科吕昭平团队等Nature:一种具有高强度和延展性的大规模制备超细晶结构的简便策略

【引言】

众所周知，亚微米级晶粒尺寸的钢通常具有很高的韧性和强度，这使其在轻量化技术和节能策略方面很有前途。迄今为止，工业制造超细晶（UFG）合金，其通常依赖于通常依赖于扩散相变，这导致工业制造仅限于奥氏体到铁素体转变的钢。与传统的粗晶材料相比，超细晶材料具有低熔点、高韧性、高强度等诸多优异的力学性能。超细晶材料的制备方法通常包括：等径弯曲通道变形（ECAP）、累积叠轧变形（ARB）、高压扭转变形（HPT）等剧烈塑性变形法。上述方法可以制备尺寸较大的块体超细晶金属材料，但在工业化生产上存在一些不足。由此可见，现有工艺技术仅适合制备形状简单的超细晶块体材料。此外，这些UFG钢的有限加工硬化和均匀延伸率阻碍了它们的广泛应用。

近日，英国谢菲尔德大学W. Mark Rainforth教授，北京科技大学吕昭平教授和蒋虽合，以及美国国家标准与技术研究院Huairuo Zhang（通讯作者）报告了通过少量的铜合金化和通过晶粒内纳米沉淀（在30秒内）对相干无序富铜的重结晶过程，在典型的Fe-22Mn-0.6C孪生诱发塑性（TWIP）钢中实现UFG结构的大量生产。快速而丰富的纳米沉淀不仅阻止了新的重结晶亚微米晶粒的生长，而且通过Zener钉扎机制增强了所获得的UFG结构的热稳定性。此外，由于其充分的连贯性和无序的性质，沉淀物在载荷作用下与位错的相互作用较弱。这种方法可以制备晶粒尺寸为800±400纳米的完全重结晶的UFG结构，而不会引入有害的晶格缺陷，如脆性颗粒和偏析的边界。与不添加铜的钢相比，UFG结构的屈服强度增加了一倍，达到约710兆帕，均匀延展性为45％，拉伸强度约为2000兆帕。这种细化晶粒的策略促进了UFG结构的发展，结构不仅高度稳定，而且还与金属材料的典型变形机制兼容，从而利用了细晶粒的存在，大大提高了UFG合金的整体机械性能。这种晶粒细化的概念应该可以扩展到其他合金系统，并且制造过程可以很容易地应用于现有的工业生产线。相关研究成果以“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、机械性能

图二、在760°C下退火5分钟的4Cu的微观结构表征

图三、退火温度和时间对UFG结构的影响

图四、有效晶粒细化和高热稳定性的机制

图五、UFG 0Cu和4Cu的变形微观结构

文献链接：“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03246-3)

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