研究前沿 | 超级钢（含镁合金）

2018-06-20 11:38:38 作者：本网整理来源：材易通分享至：

1、超高强马氏体时效钢

标题：Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation

作者：Suihe Jiang, Hui Wang, Yuan Wu, Xiongjun Liu, et al.

期刊：Nature

DOI:10.1038/nature22032

2017年4月10日，北京科技大学吕昭平教授作为通讯作者的一篇论文在《Nature》刊登，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，塑性约为8.2%。

马氏体时效钢（maraging steel）是其中一种高强度材料，其显微组织为马氏体基体中包含纳米析出粒子。本文利用化学有序效应（chemical ordering effect），设计高密度位错及最小的晶格错配的析出物Ni（Al,Fe），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及小尺寸的状态稳定析出，当析出物被位错切过时会产生高剪切应力，两种强化机制使得高强钢获得优秀的综合性能。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。

HAADF STEM图和3D重构确定析出物B2

2、D&P超级钢

标题：High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels

作者：B.B. He, B. Hu, H.W.Yen, G.J. Cheng, Z.K. Wang, H.W. Luo, M.X. Huang

期刊：Science

DOI：10.1126/science.aan0177

2017年08月24日，《Science》期刊发表了由京港台三地的钢铁科学家发明的D&P超级钢。该超级钢的屈服强度为2.2GPa，均匀延伸率为16%。

在此次研究中，前瞻性地提出通过提高位错密度可以同时实现提高强度和延展性的创新机理。

该钢为简单中锰钢体系，成分中合金成本较低（10% Mn，0.47% C，2%铝Al，0.7%V, wt.%），且具备直接在钢铁企业进行百吨级规模的工业化生产的潜力。

D&P钢与其它金属材料的强度和延展性的对比

3、仿骨结构“超级钢”

标题：Bone-like crack resistance in hierarchical metastable nanolaminate steels

作者：Koyama M, Zhang Z, Wang M, Ponge D, Raabe D, et al.

期刊：Science

DOI: 10.1126/science.aal2766

2017年3月10日，日本九州大学与美国麻省理工学院的研究人员在Science发表了关于仿骨钢的论文。受启发于动物骨骼优越的抗断裂性能，通过深入研究骨骼微观构造，他们设计了同时具有多相、亚稳态和纳米层状结构三种特征的仿骨钢（Fe9Mn3Ni1.4Al），其拥有极其出色的抗疲劳断裂的性能。

研究人员发现相变诱导的裂纹终止（TICT）与粗糙度诱导的裂纹终止（RICT）这两种机理同时阻止了裂纹的扩展。由于存在纳米层状结构，大幅减少裂纹的增长。此外，仿骨钢的多相和亚稳态结构，一些区域比其他区域更具有柔韧性，通过相变可以吸收那些可能帮助微裂纹扩展的能量，甚至还可以使产生的微裂纹重新闭合。

研究人员表示，该材料可构建从桥梁到航天器的所有东西，并避免由金属疲劳所引起的灾难。而且这种策略也可以用于设计其他合金，提高它们对机械疲劳的抵抗力。

仿骨合金与其他几种钢的结构对比图

4、超强镁合金

标题：Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys

作者：Ge Wu, Ka-Cheung Chan, Linli Zhu, Ligang Sun, Jian Lu

期刊：Nature

DOI：10.1038/nature21691

2017年4月5日，香港城市大学吕坚教授团队首次制备出了超纳镁合金材料。该镁合金具备3.3GPa的超高强度，达到了近理论值E/20（E为材料的杨氏模量）。该课题组采用特殊的磁控溅射方法制备大体积的超纳双相材料（平均成分为Mg49Cu42Y9（at.%）），其中结构为~6nm 尺寸的纳米晶MgCu2均匀弥散分布于非晶壳Mg69Cu11Y20中（纳米晶的体积百分比为56%）且晶粒呈现其低位错密度（quasi “dislocation free”）性质。

该镁合金所具有的小于10nm的超纳双相-玻璃纳米晶（supra-nano-dual-phaseglass-crystal，简称SNDP-GC）结构具备quasi “dislocation free”的纳米晶相及弛豫的非晶相，打破了材料的尺寸效应。镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料具有镁合金所固有的低模量。镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料的变形机制为多重初生剪切带的形成与纳米晶粒的塑性变形。

镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料将会成为一种新的原型材料，在具有超高强度、超高耐磨性能的生物可降解植入材料方面将得以应用。

镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料与其他合金性能对比