在汽車輕量化等應(yīng)用驅(qū)使下，科學(xué)家們對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的追求越來(lái)越高。日前，來(lái)自中國(guó)、英國(guó)、美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了一項(xiàng)鋼鐵領(lǐng)域的重要突破成果，題為“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”。
研究團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)調(diào)控共格無(wú)序析出適時(shí)且持續(xù)的釘扎再結(jié)晶晶界遷移，獲得了具有高熱穩(wěn)定性的超細(xì)晶TWIP (孿晶誘導(dǎo)塑性)鋼，強(qiáng)度及加工硬化同時(shí)提升，據(jù)此研發(fā)出一種僅通過(guò)簡(jiǎn)單軋制和退火工藝即可獲得高性能超細(xì)晶鋼的工業(yè)化晶粒細(xì)化技術(shù)。
這也就意味著，研究團(tuán)隊(duì)采用一種簡(jiǎn)化工藝即獲得了高強(qiáng)韌超細(xì)晶奧氏體鋼。該項(xiàng)研究由北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)謝菲爾德大學(xué)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院及泰斯研究公司、鄭州大學(xué)等國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)合作完成。論文的第一作者為來(lái)自謝菲爾德大學(xué)的中國(guó)學(xué)者高軍恒博士后，通訊作者分別是北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的蔣雖合研究員和呂昭平教授、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院及泰斯研究公司的Huairuo Zhang和英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的W. Mark Rainforth。
值得一提的是，開發(fā)性能優(yōu)異并適合大規(guī)模生產(chǎn)的新型高強(qiáng)鋼可以實(shí)現(xiàn)交通裝備的輕型化，具有巨大的市場(chǎng)需求。而孿晶鋼因其具有優(yōu)異的成形性能、抗拉強(qiáng)度（800-1000MPa）和均勻延展性（≥50%）從而成為汽車輕型化設(shè)計(jì)的首選材料，但低的屈服強(qiáng)度嚴(yán)重制約工程應(yīng)用。
因此，如何在保證其高加工硬化率、高塑韌性的同時(shí)大幅提升材料強(qiáng)度是交通裝備制造等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。
細(xì)晶強(qiáng)化被認(rèn)為是同步提升材料韌性和強(qiáng)度的重要手段。但是，據(jù)北科大官網(wǎng)介紹，由于孿晶鋼在冷卻過(guò)程中不具備固態(tài)相變，無(wú)法像低合金高強(qiáng)鋼一樣通過(guò)軋制和快速冷卻等工藝達(dá)到超細(xì)晶粒的目的，因此不得不采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)等大塑性變形方法獲得超細(xì)晶。
這些方法生產(chǎn)成本高、樣品尺寸小，而且細(xì)晶材料中通常含有高密度位錯(cuò)、空位等晶體缺陷，大大降低其均勻延展性，很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
為解決超細(xì)晶奧氏體鋼的規(guī)模化制備的技術(shù)問(wèn)題，上述研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型晶粒細(xì)化技術(shù)，即通過(guò)微量Cu合金化，在再結(jié)晶過(guò)程中實(shí)現(xiàn)超細(xì)再結(jié)晶晶粒內(nèi)部快速、大量共格無(wú)序析出，通過(guò)強(qiáng)烈而持續(xù)的Zener釘扎抑制超細(xì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化條件下獲得超細(xì)晶TWIP。結(jié)果顯示，該技術(shù)通過(guò)影響局部層錯(cuò)能細(xì)化了超細(xì)晶TWIP鋼的機(jī)械孿晶，而晶內(nèi)無(wú)序析出幾乎不釘扎位錯(cuò)移動(dòng)，從而在細(xì)化晶粒的同時(shí)進(jìn)一步提升了TWIP鋼加工硬化能力。
通過(guò)這一技術(shù)所得到的超細(xì)晶鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到710MPa，抗拉強(qiáng)度高達(dá)2000MPa，同時(shí)均勻真應(yīng)變超過(guò)了45%。
研究團(tuán)隊(duì)表示，該項(xiàng)技術(shù)具有一定的普適性，對(duì)其他合金體系的晶粒細(xì)化具有一定指導(dǎo)意義。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03246-3
