中南大學：拉伸應力達1.9GPa！高應力孿晶助力FCC合金鋼性能提升

導讀：在標準載荷下，在具有非常高的層錯能 (SFE) 的塊狀面心立方 (FCC) 合金中很少發現變形孿晶。在這裡，基於準靜態拉伸實驗的結果，我們報告了微米級成分複雜鋼(CCS)中的變形孿晶，其SFE高達~79 mJ/m 2，遠高於用於FCC鋼孿晶的SFE機制（ <~50 mJ/m 2) 報告。通過成分自由度實現的雙納米沉澱有助於我們的CCS中高達1.9 GPa的超高真實拉伸應力。強化作用增強了流動應力，達到了機械孿晶開始的高臨界值。反過來，納米孿晶的形成能夠實現進一步的應變硬化和增韌機制，從而提高機械性能。高應力孿晶效應引入了迄今爲止尚未開發的強化和增韌機制，從而能夠設計具有改進機械性能的高SFEs合金。

控制結晶金屬材料機械性能的塑性變形機制包括位錯、孿晶、堆垛層錯和位移相變。雖然前一種缺陷（即位錯）的運動保持晶格共格性，但後三種機制會產生對稱性破壞，表現爲密集原子平面的堆疊順序的變化。這種晶體缺陷稱爲堆垛層錯，其相關的能量損失稱爲堆垛層錯能 (SFE)。在運動學上，孿晶、堆垛層錯和位移相變由部分位錯攜帶，它們具有比完全晶格位錯更小的自能，但是當被激活時，部分位錯將晶格局部轉變爲錯誤的構型，從而產生堆垛層錯。出於這個原因，孿晶、堆垛層錯和位移相變可以賦予金屬優異的應變硬化特性，但在具有相對較高SFE的塊狀材料中通常不存在。因此，具有高SFE的塊狀合金直到今天還沒有釋放出由機械孿晶和堆垛層錯提供的出色應變硬化儲備。

根據過去幾十年進行的先前研究，在具有高SFE的拉伸載荷Fe-Mn-Al-C鋼中也沒有發現變形孿晶（孿晶上限約爲50 mJ/m 2），這是一種很有前途的材料類別由於其低質量密度、優異的機械性能和低成本，適用於高要求的工程應用。Fe-Mn-Al-C輕鋼的變形最初以位錯的平面滑移爲主，隨着變形的進行，它進一步演變成由高密度位錯組成的滑帶，儘管對於這些合金來說，更高的強度-延展性體系仍然無法獲得，因爲可用的應變硬化機制仍然侷限於位錯及其與晶界和析出物的相互作用。孿晶誘導塑性(TWIP)效應作爲一種高效的應變硬化和增韌機制，可實現有吸引力的機械性能，但由於它們的高SFE，這些材料仍然無法獲得。

針對上述問題，中南大學粉末冶金國家重點實驗室李志明教授團隊報告了SFE約爲79 mJ/m 2的輕質複雜成分鋼 (CCS) 中的變形孿晶和相關的高強化效應。如上所述，在準靜態拉伸載荷條件下，具有如此高SFE的散裝材料通常不可能發生變形孿晶。CCS是通過將高熵合金(HEA)的概念應用於傳統輕質Fe-Mn-Al-C鋼的重新設計而開發的一類材料。由高熵概念引入的成分自由度允許將材料的整體成分轉變爲形成獨特的雙納米沉澱混合物的狀態ķķ-碳化物（有序面心立方，FCC）和B2（有序體心立方，BCC）相成爲可能，產生激活機械孿晶所需的高強度。通過成分自由度實現的雙納米沉澱有助於我們的CCS中高達1.9 GPa的超高真實拉伸應力。強化作用增強了流動應力，達到了機械孿晶開始的高臨界值。反過來，納米孿晶的形成能夠實現進一步的應變硬化和增韌機制，從而提高機械性能。相關研究成果以題“High stress twinning in a compositionally complex steel of very high stacking fault energy”發表在國際著名期刊nature communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31315-2

圖 1顯示了材料在多個長度尺度上的微觀結構。該合金在奧氏體 γ (FCC) 基體中表現出帶有B2相的部分再結晶結構，由反極圖(IPF) (圖 1a )和從電子背散射衍射(EBSD)獲得的相圖 (圖 1b )顯示。根據多張EBSD圖，顯微組織中的再結晶區域佔57%，平均晶粒尺寸約爲1.5 μm，其餘（43%）是未再結晶區域，平均尺寸較大，約爲10 μm。圖 1c中的明場（BF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像顯示了在晶粒內部和晶界處幾乎均勻分佈的析出物，尺寸爲數百納米。BF STEM分析（圖 1c）還顯示了第二種沉澱物的形成（確定爲ķķ-碳化物）與 B2相一起，通過覆蓋B2相和γ基體之間的界面區域（白色箭頭）或與相似尺寸的B2沉澱物（黑色箭頭）緊密接觸。

圖2 我們使用大塊樣品在室溫下以 1 × 10 -3  s -1的相對低應變率對材料進行了拉伸試驗。典型的真應力-應變曲線如圖 2a所示，其具有接近 1.9 GPa 的超高真抗拉強度。我們CCS的如此高強度顯著優於先前設計的具有類似SFE的輕鋼（見圖 2a）。除了高密度的位錯外，圖 2b中的高角度環形暗場（HAADF）STEM 圖像顯示在該應變階段形成了多個平行薄板。高分辨率HAADF STEM觀察清楚地揭示了原子平面的孿晶（圖 2c），相應的FFT圖進一步顯示了<110>基體//<011>孿晶系統，這是FCC合金中常見的孿晶系統（圖2c、2d )。

圖3 爲了更好地瞭解這些機械孿晶的形成機制，我們進行了原位TEM拉伸試驗（圖 3 a - h）。

圖4 我們通過隨後的高分辨率TEM分析進一步研究了原位TEM拉伸試驗後裂紋附近的樣品區域。在圖 4a中可以看到多個雙胞胎，高分辨率TEM圖像顯示出雙胞胎結構（圖 4b）。在原位拉伸試驗後也檢測到多個堆垛層錯（圖 4a）。圖 4c中的TEM圖像揭示了FCC矩陣中原子的錯誤堆疊序列。

總之，我們展示了在具有非常高SFE（~79 mJ/m 2）的基於FCC的輕質CCS（毫米級）的準靜態拉伸測試期間變形納米孿晶的激活，這是一種有趣的機制組合，具有基本相關性在金屬材料的塑性變形領域。由於ķκ-碳化物和B2相，通過我們特定的合金設計策略，CCS 顯示出非常高的拉伸應力，從而達到了迄今爲止傳統輕鋼無法達到的臨界孿晶應力。高應力孿晶現象在變形後期提供了顯著的應變硬化，從而抑制了基體和B2相之間非共格界面處裂紋的形核，從而導致材料具有優異的延展性。因此，我們的研究顯示了一種有前途的設計策略，通過觸發具有高SFE的高性能結構材料中以前無法實現的變形機制，以提高其機械性能。