清华大学《Science》子刊：化学边界工程：通向超 -中国组织工程研究杂志社投稿

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清华大学《Science》子刊：化学边界工程：通向超

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导读：几十年来，晶界工程已被证明是提高金属材料力学性能的最有效方法之一，但可以达到的细微结构是有限制的，因为一旦暴露在热环境下，晶粒尺寸会迅速增加(晶界的热稳定性低)。本文开发了一种独特的化学边界工程(CBE)方法，增加了可用合金设计策略的多样性，这使我们能够创建一个即使在高温加热后仍具有超细分层异质微观结构的材料。当这种方法应用于含碳量仅为0.2%重量的普通钢时，在具有良好延展性(>20%)的情况下，最终强度水平可超过2.0 GPa。

高延展性、高强度钢对于解决轻质运输和安全基础设施的问题至关重要，高强度钢，特别是那些极限抗拉强度超过2.0 GPa的钢，通常需要高含量的碳[>0.4wt %]或昂贵的掺杂元素，如钴，镍和铬。然而，由于焊接性和成本限制，在建筑用钢中使用高碳和掺杂含量并不相关。相反，具有高晶格缺陷密度的微结构是制造廉价、高强度钢的更好途径。在这些缺陷类型中，晶界(GBs)和相界(PBs)是金属晶体中的平面不连续点，在调节多晶材料的机械响应方面特别有效(图1A和B)。晶界工程(GBE)，例如调节GBs/PBs的数量或排列，已被广泛用于提高先进工程材料的力学性能。然而，当合金暴露于机械或热负荷下时，GB相关性质的进一步增强受到这些结晶平面界面的不稳定性（低热稳定性/高迁移率）的限制，例如，导致晶粒粗化。

为了扩展材料设计的维度，一种尚未被充分探索的平面缺陷类型来构建新的显微结构，即化学边界(CBs)，可以作用于材料的局部相变响应。CBs表示一个连续晶格区域内的一个非常陡峭的化学不连续，如图1C所示。在我们的研究中，每个CB都是前PB的残余，在去除晶体结构局部变化后保留了元素分配。CBs形成后会充当强大的屏障，将后续的相变限制在超细（亚微米）域内。

基于此，清华大学陈浩教授团队联合德国马普所、东北大学、荷兰代尔夫特理工大学等国内外顶级研究机构采用这种方法产生了一种新颖的马氏体和奥氏体分别具有纳米级板条和纳米孪晶结构的异质组织。在钢中没有高碳含量或不掺杂昂贵元素的情况下，此方法实现了超过2.0 GPa的极限拉伸强度以及极高的延展性（> 20％）。相关研究成果以题“Chemical boundary engineering: A new route toward lean, ultrastrong yet ductile steels ”发表在Science advances上论文链接：

在本研究中，由于奥氏体中缓慢的Mn扩散与奥氏体/铁素体PBs的快速迁移之间的不匹配，在高温下产生了CBs。在随后的淬火过程中，广泛的CBs可抑制马氏体向亚微米区转变，导致极细的马氏体+奥氏体组织。硬马氏体网络延迟屈服，增强的TRIP效应保证了良好的塑性。CBE方法可推广到其它金属体系，并有可能用于表面处理。

图1. PB，GB和CB的示意图。（A）PB，不同晶格类型的两个晶粒之间的边界。（B）GB，相同晶格类型但具有不同晶体学取向的两个晶粒之间的边界。(C) CB，由晶格连续区域内至少有一种元素浓度的急剧不连续定义，例如，一个非常陡峭的化学梯度。注意，我们的CBs不涉及晶体结构或晶格取向的任何变化。不同的颜色代表不同元素类型的原子。

图2.通过CBE方法加工的钢的组织演变，证实了CBs对马氏体相变的强大影响。(A) art处理钢的面心立方(FCC)相(红色区域)的EBSD图像质量图与相色图叠加，显示了奥氏体(γ)与铁素体(α)的等轴组织，以及(C)γ和马氏体(α′)的超细双相组织。（B）通过CBE方法在超快加热和淬火过程中钢的微观组织演变示意图，以说明GB，PB和CB的作用。（D和E）带有EDS分析的TEM图像显示了ART处理钢的γ和α之间的显微组织和Mn浓度分布，而（F和G）是CBE处理钢的γ和α'之间的组织和Mn分布。通过3D-APT，γ和α之间的（H和I）以及γ和α'之间的（J和K）揭示了接近原子级的Mn分布。

图3. CBE处理的钢的Nano-Auger–EBSD和TEM分析。（A）奥氏体反极图与马氏体像质图的组合。（B）（A）的先前奥氏体重构，表明中心的马氏体块与周围的奥氏体具有相同的母奥氏体取向。EBSD图中的蓝线和绿线分别对应于大角度和小角度的GB（错位分别为≥15°和介于5°- 15°之间）。（C）通过纳米俄歇线沿（A）中的白线扫描获得的Mn浓度分布，进一步证实了CB阻碍了马氏体相变。（D）TEM明场显微照片显示纳米晶马氏体板条在CB处停止。原奥氏体晶界（PAGB）代表原奥氏体GB。(E)在(D)中标记区对应的选择区域衍射图显示CBs两侧的α′和γ由于具有相同的母奥氏体而存在近Nishiyama-Wassermann关系。（F）通过TEM-EDS线扫描沿着（D）中的白线获得的Mn浓度分布。

文章来源：《中国组织工程研究》网址: http://www.zgzzgcyj.cn/zonghexinwen/2021/0406/1286.html