《Nature》北科大研制出2.2GPa超高强钢！塑性良好，大幅削减成本

昨天（4月10日），《nature》在线发布了北京科技大学吕昭平教授作为通讯作者的一篇论文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》，该文基于晶格错配和高密度纳米析出的理念，设计并制备出超高强马氏体时效钢，强度最高达2.2GPa，还具有很好的塑性（大约8.2%）。而且由于采用廉价质轻的Al等元素代替高成本的Co、Ti等合金元素，还能大幅度削减成本。

Ni(Al,Fe)-马氏体时效钢在固溶退火（950℃下15min）和时效（500℃下3h）状态下的力学性能和STEM图。

采用新一代高性能结构材料是满足轻量化及节能减排的重要手段，马氏体时效钢（maraging steel）是其中一种高强度材料，它的组织为马氏体基体中包含纳米析出粒子。其高强度得益于半共格（semi-coherent）析出物，而这些析出粒子的不均匀分布会导致大的共格应变，反过来可能会促进加载时裂纹的萌生。本文通过高密度位错及最小的晶格错配报道了一种违法直觉的方法来设计超高强钢。发现高度分散的、完全共格的析出物（也就是说，析出物的晶体结构与周围基体的晶格几乎一样）表现出非常低的晶格错配和很高的反相（anti-phase）边界能，不牺牲韧性的同时强化合金。如此低的晶格错配（0.03±0.04%）降低了析出物的形核能垒，从而使析出物能以非常高密度（大于10的24次方每立方米）及小尺寸（大约2.7±0.2纳米）的状态稳定析出。粒子周围最小的弹性错配应变对位错的相互作用贡献不多，而这是强度增加所必须的。

利用高分辨HAADF STEM图和基于APT数据的3D重构确定完全晶格匹配的析出物B2的本质。

相反，本文报道的强化机制利用了化学有序效应（chemical ordering effect），当析出物被位错切过时会产生背应力（与变形方向相反的力）。本文利用Ni(Al,Fe)析出物进行强化制备了一系列超高强钢，强度最高达2.2GPa，还具有很好的塑性（大约8.2%）。与传统马氏体时效钢相比，本文报道的钢中析出物的化学成分用廉价质轻的Al等元素代替高成本而又必须的合金元素，如Co、Ti，因此能大幅度削减成本。本文这类钢的强化机制是基于最低晶格错配实现最大化析出分散和高剪切应力（指位错切过共格析出物时所必须的力，从而导致塑性变形），作者认为这种晶格错配的设计理念或许可以应用于其他金属合金。

原子探针分析析出物的断层图和成分。

论文链接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22032.html

作者简介：

本文一作为蒋虽和，通讯作者为吕昭平教授。吕教授为北京科技大学新金属材料国家重点实验室主任，教育部长江学者特聘教授，中国材料研究学会理事，国务院特殊津贴获得者。国际学术杂志《Intermetallics》编辑。1992和1995年分别从华中科技大学获得学士及硕士学位，1995年获得1996年赴新加坡国立大学攻读材料学博士学位，2001年进入美国橡树岭国家实验室做博士后，2004年成为该室正式研究员。2007年获得国家杰出青年科学基金支持，2009年因耐热钢的工作获美国“R&D 100 Award”。2010年获教育部自然科学二等奖。