如何通过调控溶质偏析和纳米析实现超高强钢

每年生产约20亿吨合金，这需要改变设计理念使材料更加环保、经济和社会可持续发展。在主要的合金强化机制中，尺寸在纳米范围内的高弥散第二相析出相，对于获得超高强度特别有效。

在此，来自德国马克思普朗克研究所的A. Kwiatkowski da Silva等研究者，提出了一种基于分离的可持续钢的替代策略，通过第二相纳米沉淀使其变得超强。相关论文以题为“A sustainable ultra-high strength Fe18Mn3Ti maraging steel through controlled solute segregation and α-Mn nanoprecipitation”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30019-x

钢，无处不在，使多种关键技术得以实现——从剑到蒸汽机、汽车、桥梁、摩天大楼、风力磨坊到人类的平板家具中的螺丝钉。钢是应用最广泛的结构金属合金，也是一个密集研发的领域，每年都会设计出许多新的变体，有时甚至是纳米级以上的变体。冶金学的最新趋势是通过高合金化成分调整来实现新的机械性能，可持续发展和社会责任的目标，鼓励人们转而使用精益成分和纳米结构调整。在这种情况下，中锰钢已经成为一种吸引人的高强度合金，它依靠地球上丰富的锰作为主要的合金元素。这些钢通常是通过马氏体相变生产的，即将面心立方(FCC)奥氏体(γ)高温相淬火为过饱和体心立方(BCC)铁素体(α)相。

图1a为铁锰二元相图。随后，亚稳态富锰马氏体相退火，触发奥氏体形核，在此之前，Mn会在马氏体内部的众多晶界和位错处偏析(吸附)。该体系中较强的偏析倾向与Fe的铁磁性和Mn的反铁磁性有关。图1b显示了仅使用α相计算的亚稳态Fe-Mn相图。Fe和Mn的混合物在α1(富铁，铁磁性)和α2(富锰，顺磁性)两相中倾向于相分离。由于大多数Fe-Mn合金相对较稀，整体含量在4-12wt .%之间，这种偏析通常发生在晶界处，最终导致第二相的非均匀形核。

图1 材料的设计理念。

在此，研究者设计了一种成分贫瘠的Fe18Mn3Ti (wt%)超高强度钢，易发生均相分解，在分离的辅助下，由地壳中最丰富的三种过渡金属组成。该合金成分被设计成在450°C左右的预定时效温度下不稳定，不受成分波动的影响。这些波动是α-Mn纳米析出相形核的前驱体，可以降低基体中位错的迁移率，从而使马氏体基体发生沉淀强化。研究者通过加入3 wt.% Ti，使奥氏体在淬火和冷轧过程中转变为α-马氏体，防止大量残余奥氏体和ε-马氏体(具有六边形晶格结构)，稳定第二相α-Mn析出相。这种策略，避免了在常规超高强度马氏体时效钢中添加Co和Mo等导致金属间析出的关键元素。Ni也完全被Mn取代，Mn参与了奥氏体的稳定和沉淀的形成。

图2 微观结构分析。

图3 HRTEM鉴定。

图4 机械性能和表现。

图5 强度影响。

图6 应用潜力。

综上所述，尽管许多其他金属合金最近已被报道表现出优异的力学性能，但它们的广泛和整体用途往往因其生产和制造的规模，不够甚至不可能扩大而受到阻碍。这些合金，可能具有特殊的强度和韧性组合，然而，由于其高昂的成本，主要是由于其高镍、钴和耐火元素的含量，它们的应用受到严重限制。

在图6a, b中，研究者绘制了不同超高强度钢及其各自抗拉强度的估计合金化成本和丰富度风险水平(ARL)。ARL是根据地壳的自然丰度估算的。蓝线所划定的合金是高钴马氏体时效钢。研究者还加入了两种高Co (FeCoCrNiMn和CoNiCr)多组分材料，称为高或中熵合金。这些材料的合金化成本估计比最昂贵的含钴马氏体时效钢的合金化成本高出3倍，但性能却无法与之相比。这些材料的合金化成本，估计比最昂贵的含钴马氏体时效钢的合金化成本高出3倍，但性能却无法与之相比。研究者的Fe18Mn3Ti合金与低Co等级的含镍马氏体时效钢相比具有相似的抗拉强度，含镍马氏体时效钢中含有高达4wt .%的金属间沉淀Mo。这些图表清楚地显示了精益合金设计概念的重要性，例如，研究者在这里应用的新型Fe18Mn3Ti合金。

对比表明，在协调关键的工程材料特性，如减轻运输重量，使用超高强度材料来减少能源消耗，以及更负责地使用合金元素来实现这些材料时，可以实现更可持续的社会的最高效益。
编辑：黄飞