北科大吕昭平Nature重磅：最低晶格错配与高密度纳米沉淀联手打造超强钢！

前言

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沉淀，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沉淀，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。

成果简介

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，通过高密度纳米沉淀和降低晶格错配实现。他们发现在合金中，高度弥散，完全的共格沉淀（沉淀物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%）降低了沉淀物的成核阻力，从而使沉淀物能以非常高密度（大于1024每立方米）及小尺寸（大约2.7±0.2纳米）的状态稳定沉淀。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，当沉淀被位错削减时，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)沉淀进行强化，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，沉淀物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沉淀分布和高剪切应力（位错刺穿共格沉淀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。

图文导读

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沉淀物B2结构性质

图三.原子探针分析沉淀物的体层摄影和成分

图四.同步辐射XRD结果表明bcc基底和B2沉淀物间整体相位转变和极低的晶格错配

文献链接：Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22032）