导读：本文采用塑性变形和部分再结晶的方法制备了体积纳米孪晶固溶奥氏体钢。随后的时效处理导致γ -素数相沿孪晶边界大量析出。这些纳米沉淀物在两侧与奥氏体基体共渗，即继承孪晶界。受这些纳米沉淀物约束的纳米孪晶表现出高热稳定性，并有效地阻碍了位错在高温下的运动。结果表明，该材料在700℃时的屈服强度高达780 MPa。与峰时效粗晶试样相比，含有约49 %纳米孪晶与第二相结合的试样在700℃时的强度提高了约60%。这种纳米孪晶和纳米沉淀物的联合强化为材料在高温下的进一步强化提供了一种新的策略。

提高材料在高温下的力学性能一直是材料科学家的研究热点，这也是航空航天、能源等领域的重要需求。目前提高金属材料高温强度的设计方法是合金化，即在材料中加入耐火元素，利用第二相析出物或固溶原子来减少位错。然而，这种强化策略的效果受到固溶元素溶解度的限制。因此，在高温下，需要另外的强化策略对于进一步改善材料机械性能。

本文引入高密度晶界(GBs)来细化晶粒可以有效地在室温下强化金属材料。例如，将纯铝和纯铜的晶粒细化到100 nm以下，屈服强度成倍增加，它们的纳米晶合金甚至比一些商用钢更强。在许多合金体系中，高密度晶界强化甚至超过了析出强化和固溶强化。然而，金属材料温度升高会加剧原子运动，导致位错小时速度提高，高密度晶界滑动增加，从而减弱了高密度晶界的强化作用。

与传统的大角度晶界相比，双晶界具有较好的热稳定性。例如，纳米孪晶Cu不同于室温下晶粒粗化，而纳米孪晶铜的粗化温度可达800℃。这是由于孪晶界具有较低的多余能量(为大角度高密度晶界的10%)和零曲率特性。因此，孪晶界有望在高温下存活，然后作为位错运动的屏障。无论是纯金属还是合金，纳米孪晶结构在室温下都具有高强化能力。此外，有研究表明，孪晶边界上的沉淀物可以进一步提高纳米孪晶的稳定性，并协同增强其强度。因此，纳米孪晶结合纳米沉淀物在改善高温力学性能方面具有很大的潜力。

本文试图通过塑性变形，以及时效处理，将高密度纳米孪晶和纳米沉淀物引入奥氏体钢。结果表明，样品中嵌有大量的纳米孪晶束，在共格孪晶边界处排列着极细的析出相。这种新的结构使样品在25至800℃的整个测试温度范围内具有很高的屈服强度。通过电镜观察对其微观结构进行了细致的表征，并对强化机理进行了探讨。

中国科学技术大学刘东阳等教授相关研究以“Enhanced high-temperature strength of austenitic steels by nanotwins and nanoprecipitates”为题发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223006590

图1所示。典型的EBSD图(a)反极图和(b)晶界显示了DA样品的混合微观结构，包括双束、再结晶晶粒和位错区域。(b)中的“Σ3”指双边界。(c)纳米孪晶，(d)再结晶晶粒，(e)位错结构的典型亮场TEM图像。(c-e)中的插图是相应区域的SAED模式。

图2所示。(a) DAA样品中纳米孪晶区的暗场TEM图像。插图是相应的SAED图案和析出物的尺寸分布。(b)典型纳米孪晶区的扫描TEM图像及相应的能谱图。(c)沿[110]区轴拍摄的高分辨率扫描TEM图像和(d)相应的EDS分析。(e) l12结构Ni3(Ti, Al)相的晶体模型。(f) (c)的快速傅里叶变换模式。

图3 (a) DAA样品中典型位错结构(DS)区域的亮场TEM图像和(b)能谱图。(c) DAA样品中典型再结晶(SRX)区域的亮场TEM图像和(d) EDS映射。

图 4 (a)环境温度和高温下DAA试样的工程应力-应变曲线。(b)不同试样在600℃拉伸温度下的工程应力-应变曲线。(c) DAA和峰时效粗晶(PA-CG)试样的屈服强度随变形温度的变化。

综上所述，无论是在常温下还是在高温下，纳米孪晶的高密度都必然在强化中起着关键作用。米孪晶结合纳米沉淀物具有优异的稳定性，这是其在高温下具有优异强化效果的必要前提。透射电镜结果显示，用米孪晶结合纳米沉淀物，在高温下可以阻止位错发生。

上述讨论表明，当纳米晶存在于孪晶边界处时，纳米孪晶可以在高温下保持高强度。纳米孪晶强化与沉淀强化相结合的结构提供的强化效果。如图4c所示，复合强化使该试样的高温强度远远高于粗粒试样。与相同变形温度下的峰时效粗晶试样相比，600℃时的强度提高了45%。在700℃时，虽然由于位错恢复加速，难以有效积累大量位错，导致工作软化(图4a)，但稳定的纳米孪晶和纳米沉淀没有明显粗化，强度提高了60%。在800℃时，尽管强度迅速降低，但仍比粗晶试样高36%。

孪晶和析出物在合金中并不罕见，特别是在高合金钢中。本文通过塑性变形成功地将纳米孪晶引入固溶奥氏体钢中，随之的时效处理又促使许多γ′相颗粒在纳米孪晶束内析出。这些细小的析出相有规律地分布在共格孪晶界上，与稳定的孪晶界一起促成了优异的高温强度。该纳米孪晶和纳米沉淀物的联合强化策略有望拓展高温下金属材料的应用。