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硬核!北科大呂昭平等,發篇Nature過大年!

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亞微米級晶粒尺寸的鋼通常具有很高的韌性和強度,因此在輕量化技術和節能戰略方面具有廣闊的前景。迄今為止,工業上通常依賴于擴散相變的超細晶粒(UFG)合金的工業制造僅限于奧氏體到鐵素體轉變的鋼。此外,這些UFG鋼的有限加工硬化和均勻伸長率阻礙了它們的廣泛應用。

為此,英國謝菲爾德大學W. Mark Rainforth、北京科技大學呂昭平、Suihe Jiang和美國國家標準技術局Huairuo Zhang等人通過微量Cu合金化和控制再結晶過程,在30秒內通過共格無序富銅相的納米相分離法進行再結晶,在典型Fe-22Mn-0.6C孿晶誘導塑性鋼中實現了UFG結構的量產。

快速而豐富的納米沉淀不僅阻止了新鮮再結晶的亞微米晶粒的生長,而且還通過Zener釘扎效應提高了所得UFG結構的熱穩定性。此外,由于其充分的連貫性和無序性,析出相在載荷作用下與位錯的相互作用較弱。這種方法可以制備晶粒尺寸為800±400納米的完全重結晶的UFG結構,而不會引入有害的晶格缺陷,如脆性顆粒和偏析的邊界。與不添加銅的鋼相比,UFG結構的屈服強度增加了一倍,達到約710兆帕,均勻延展性為45%,抗拉強度約為2,000兆帕。

這種晶粒細化的概念可以擴展到其他合金系統,并且制造過程可以很容易地應用于現有的工業生產線。相關結果以“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”為題發表在Nature期刊上。

為了通過一條簡單的制造路線來制造具有高強度和高延展性的散裝UFG鋼,將不帶固相轉變的典型Fe–22Mn–0.6C孿生誘導塑性(TWIP)鋼與3 wt%和4 wt%Cu合金化,它可以在重結晶溫度下實現快速而充分的納米沉淀。此后,將Fe-22Mn-0.6C和摻雜Cu的Fe-22Mn-0.6C-3Cu和Fe-22Mn-0.6C-4Cu鋼分別稱為0Cu,3Cu和4Cu。

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圖1 機械性能

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圖2 4Cu在760℃退火5 min后的微觀組織表征

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圖3 退火溫度和時間對UFG結構的影響

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圖4 有效晶粒細化和高熱穩定性的機理

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圖5 UFG 0Cu和4Cu的變形微觀結構
Gao, J., Jiang, S., Zhang, H. et al. Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility. Nature 590, 262–267 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03246-3

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