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析出物對于制備機械強度高的金屬材料至關重要。

在此，中南大學王章維教授，宋旼教授和德國馬克斯-普朗克研究所Dierk Raabe院士等人報道了在低溫拉伸加載過程中，B2（有序體心立方）納米析出物（通常被認為是不可剪切的金屬間化合物）在輕質成分復雜鋼中的位錯切割。其中，得益于亞納米級局部化學有序區的實質性提升和基體中多主元素的明顯固溶強化，增強的奧氏體基體內位錯滑移使得剪切成為可能。這種機制不僅利用了其他不可穿透的脆性納米沉淀所提供的強烈強化和應變硬化，而且還通過其持續變形的連續剪切引入了延展性。因此，本文制備鋼材料顯示了超高的低溫抗拉強度（高達2GPa），且拉伸伸長率高達34%，從而揭示了一種設計高性能結構材料的新策略。

相關文章以“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”為題發表在Science上。

通常情況下，合金的機械強度可以通過第二相的存在得到大幅提高。為了實現第二相的高度分散，亞穩態固溶體在中等同源溫度下的淬火和老化是一種標準方法，這一過程被稱為析出硬化。自一個多世紀前應用于鋁合金以來，一直是金屬材料強化的基礎。據了解，硬化效應源于對位錯運動的抵抗力，即金屬材料中線性塑性具有的晶格缺陷。該過程可以通過分散相干顆粒來進行，位錯必須在較高應力下通過這些顆粒，也可以通過 Orowan環迫使位錯繞過不可穿透的析出物，Orowan環是一種位錯纏繞析出物的機制，也需要應力增量。毛細管驅動的顆粒粗化是老化過程中發生的一種過程，通常將機制從前者轉移到后者，即從位錯切割到彎曲和循環，而在沉淀硬化合金體系中，反向轉變通常仍然難以捉摸。

然而，Orowan環機制雖然具有顯著的增強性，但與不可穿透顆粒周圍的位錯堆積有關，這增加了由于應力集中而導致材料脫落的可能性。這種現象通常使基體和硬質顆粒之間的界面容易發生裂紋成核，導致合金的延展順應性和抗損傷承載能力大幅降低，這在單軸拉伸試驗中通過其延展性進行量化。因此，這種基本的權衡問題引發了將相干納米沉淀物引入合金中的努力，以促進有益的強度-延展性調節，輕質鋼、高強度鋁合金和某些中熵或高熵合金（M/HEA）就是例證。

為了實現上述想法，本文引入了一種從Orowan環到位錯切割的范式轉變，該材料由B2（有序體心立方體，BCC）金屬間化合物作為析出物強化。在拉伸變形過程中，B2相歷來被認為是面心立方（FCC）合金中的不可剪切相，這一進步使研究者能夠充分利用與位錯彎曲相關的強化和應變硬化效應的潛力，同時通過這些析出物的位錯切割來利用最終應力松弛的延展性優勢，展示了一種針對低溫應用的輕質成分復雜鋼（CCS），以應對對運輸部門和液體氣體能源載體分子存儲需求的激增，這也是全球能源供應的新興基礎。

圖1.CCS的微觀結構表征

具體來說，本文已經實現了在分層結構CCS的低溫變形過程中B2金屬間化合物的切割，其納米結構層次結構包括B2金屬間納米析出物（~195 nm）和亞納米級（~5 ?）局部化學有序（LCO）區。其中，由高數量密度的LCO區（3.6×10¹⁷m^-2）提供的有序強化，與具有多個主元素的奧氏體基體的固溶強化相結合，產生了高于1GPa的摩擦應力。

結果顯示，位錯滑移所需的如此高的基質應力水平使得在近液氮溫度下的拉伸變形時，位錯滑移通過強但通常脆性的B2相，這歸因于基體的位錯流動應力變得如此之高，使得它能夠克服剪切B2顆粒所需的應力勢壘。

圖2. CCS的低溫力學性能。

圖3：通過位錯滑移LCO和B2顆粒得到的剪切。

圖4：低溫拉伸變形過程中CCS的微觀結構演化。

綜上所述，在金屬合金中使用精細分散的第二相進行析出物硬化是結構材料設計的基本原則，本文報告了這一原則的范式轉變，揭示了脆性、不連貫和不可剪切的B2金屬間化合物可以通過LCO和大量固溶強化鄰近的奧氏體基體來實現韌性。這一范例是通過將B2顆粒周圍的變形機制從Orowan環和位錯堆積改變為顆粒剪切來實現的。通過這種方法，本文為這一領域添加了一種新描述的變形機制，從而為在超高強度和韌性金屬合金中應用金屬間相作為韌性強化特征提供了機會。

Feng Wang?, Miao Song?, Mohamed N. Elkot, Ning Yao, Binhan Sun, Min Song*, Zhangwei Wang*, Dierk Raabe*, Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2919

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