千年古老材料焕新生：碳素钢荣登《Nature》子刊！

近日，来自澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队联合莫纳什大学、纽卡斯尔大学、澳大利亚ANSTO中心及南方科技大学的学者，在国际顶尖期刊《Nature Communications》发表了最新研究成果“High performance plain carbon steels obtained through 3D-printing”。他们利用先进的3D打印技术，成功将历史悠久的碳素钢材料转化为高强度、高韧性的现代工程材料。

文章的第一作者谭启玚博士表示：“这项研究不仅证明了3D打印技术在传统材料创新中的巨大潜力，也为实现可持续发展的材料设计提供了全新思路。”

材料复杂化的挑战

过去一个世纪，为满足工业对强度、韧性等性能的需求，工程金属材料的设计逐渐走向复杂化。例如，钢铁材料中添加了大量合金元素以优化微观结构和性能。然而，合金成分的复杂化不仅提高了成本，还导致资源依赖性增强、回收难度加大，甚至存在供应链风险等隐患。因此，“材料简化”这一理念逐渐受到关注，即通过减少合金成分复杂度，探索简单材料体系在满足性能需求的同时降低成本和环境影响的可能性。

3D打印让材料简化成为可能

该团队采用激光粉末床熔融（L-PBF） 3D打印技术，充分利用其高速冷却（10⁴~10⁷ K/s）的特性，将最简单的铁-碳成分设计转化为高性能的工程材料。他们发现，打印过程中局部微熔池的快速凝固可直接生成超细马氏体和纳米贝氏体组织，避免了传统冶金中需要额外合金化以及热处理才能获得的微观结构。同时，通过调控打印参数，团队实现了材料性能的定制化，为工程应用提供了灵活选择。

研究中，团队以打印一个几何复杂的1080碳素钢齿轮为例进行说明（如图1所示）。传统淬火技术无法在如此复杂的结构中实现均匀硬化，但3D打印技术凭借逐层冷却特性轻松解决了这一问题，使齿轮具备优异的力学性能和结构完整性。为了进一步验证3D打印的性能优势，团队制作了一个L形1080钢部件，并对比了传统淬火处理和3D打印的效果。传统淬火导致了明显的裂纹和几何变形，而3D打印件则完全避免了这些问题，展现了3D打印技术在复杂部件中的优势。

通过对3D打印的AISI 1040以及AISI 1080碳素钢微观结构进行显微表征，研究人员发现材料中形成了超细马氏体和纳米贝氏体组织。这些微观结构不仅提高了材料的强度，还改善了韧性，展现出良好的性能平衡。研究进一步揭示，高速冷却的特点抑制了珠光体的形成，同时逐层打印的热循环起到了自回火作用，有效缓解了残余应力。

图1 | 传统方法与金属3D打印在AISI 1080碳素钢淬透性方面的表现：(a) 激光粉末床熔融（L-PBF）金属3D打印工艺示意图，其中插图 (a1) 展示了1080钢粉末原料的形貌。(b) 放大图展示了(a)标记区域的典型“鱼鳞状”熔池结构。(c) 使用1080钢粉末通过L-PBF工艺打印的斜齿轮，图中显示了坐标系统表示的平面方向（Z轴为打印方向）。(d) 齿轮在XZ平面（上方）和XY平面（下方）的截面硬度分布，箭头标示了(c)中的测量位置。(e) 标准Jominy端淬测试的示意图。(f) 传统锻造1080钢Jominy端淬样品和3D打印1080钢Jominy端淬样品的硬度分布。(g) 1080钢L形演示件，经过传统水淬处理后产生的变形和裂纹，如 (g1) 的光学显微图所示。(h) 对比之下，3D打印样品具有无裂纹且无变形的结构完整性，如 (h1) 的光学显微图所示。(i) 不同激光能量输入条件下3D打印1080钢的致密化行为和硬度分布。

实验结果表明，3D打印碳素钢在马氏体主导的微观结构下，表现出接近2 GPa 的抗拉强度，同时通过优化打印参数获得了更优异的强韧性组合（图2）。与传统锻造的碳素钢钢相比，3D打印件实现了更高的强度和韧性。在与其他超高强度合金钢（UHSS）的对比中，3D打印1080钢同样表现出显著优势。3D打印碳素钢的强度与韧性组合不仅超越了低、中合金超高强度钢（如4140、4340、8540、300M、H13钢），甚至与高端合金钢（如18Ni(300)马氏体时效钢）相媲美。

图2 | 机械性能： (a) 不同激光能量输入条件下3D打印1080钢的典型工程拉伸应力-应变曲线，插图和箭头显示了样品的截面方向和打印方向（BD）。(b) 不同激光能量输入条件下3D打印1040钢的典型工程拉伸应力-应变曲线，插图同样显示了样品的截面方向和打印方向（BD）。(c, d) 阿什比图，展示3D打印(c)1080钢和(d)1040钢的机械性能，与传统锻造同级钢材相比。(e, f) 阿什比图对比3D打印碳素钢与典型商业化超高强度钢（UHSS）的机械性能，(e) 显示屈服强度与延伸率的关系，(f) 显示屈服强度与冲击能量的关系。(g) 阿什比图比较3D打印碳素钢与其他3D打印UHSS的机械性能，展示了不同加工条件下的性能组合。

这项研究巧妙利用3D打印技术的微区融化及快速冷却特性，实现了碳素钢微观组织的显著优化。通过调整打印参数，研究人员成功在最简单的铁-碳合金体系中获得了性能媲美甚至超越复杂合金钢的机械性能。并且，他们通过这项技术避免了传统热处理可能引发的裂纹和变形问题，为工程领域提供了一种高效的材料解决方案。

研究亮点

• 简化合金设计：无需复杂的化学成分，仅通过铁和碳实现卓越性能。
• 突破性性能：3D打印碳素钢的强度和韧性超越了一些传统超高强度合金钢。
• 环保与可持续性：减少稀有合金元素的使用，推动材料的可回收性和资源安全性。

这一突破性研究为未来高性能材料的设计和制造提供了全新方向，同时彰显了传统材料在现代技术加持下焕发出的巨大潜能。全文及所附支持材料见https://doi.org/10.1038/s41467-024-54507-4