北科大吕昭平Nature重磅:最低晶格错配与高密度纳米析出相联手打造超强钢!
2017-04-11 10:36:40
作者:本网整理 来源:材料牛
新一代高性能结构材料需具备轻量化设计与先进的能量应用。马氏体时效钢,结合了马氏体基体与纳米析出相,是一类可满足高性能结构材料需求,具潜力的高强材料。其高强度源于半共格析出相,但这不可避免的会出现不均匀分布,从而导致大的共格应变,这在负载下可能会促生裂纹。
北京科技大学吕昭平教授(通讯作者)等人于2017年4月10日在Nature上发表了最新研究成果,报道了设计超强钢合金的新策略,通过高密度纳米析出相和降低晶格错配实现。他们发现在合金中,高度弥散,完全的共格析出相(析出相的晶格与周围基底的晶格几乎一致)与基底表现出非常低的晶格错配和很高的反相边界能,实现不降低韧性下同时强化合金。如此低的晶格错配(0.03±0.04%)降低了析出相的成核阻力,从而使析出相能以非常高密度(大于1024每立方米)及小尺寸(大约2.7±0.2纳米)的状态稳定析出。颗粒周围最小的弹性错配应变并没有为位错相互作用贡献很多,而这是强度增加所必须的。相反,文中报道的强化机制利用了化学有序效应,当析出相被位错削减时,会产生背应力(与变形相反的力)。研究者制备了一系列钢,利用Ni(Al,Fe)析出相进行强化,使合金强度提高到2.2Gpa,同时还具有很好的延展性(大约8.2%)。与传统马氏体时效钢相比,析出相的化学成分能大幅度削减成本,因为可用一些廉价质轻的元素替代一些高成本的合金元素,如Co、Ti。基于最低晶格错配实现最大析出相分布和高剪切应力(位错刺穿共格析出相从而导致塑性变形引发的应力)实现钢合金的强化,使我们能正视晶格错配设计理念,从而能将其应用到其他的金属合金中。
图一、Ni(Al,Fe)-马氏体时效钢在固溶退火(950℃下15min)和时效(500℃下3h)状态下的机械性质和STEM图
图二、利用高分辨HAADF图和APT数据3D重建确定具全晶格匹配的析出相B2结构性质
图三、原子探针分析析出相的体层摄影和成分
图四、同步辐射XRD结果表明bcc基底和B2析出相间整体相位转变和极低的晶格错配
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