清華&重慶大學《Nature》子刊：低溫韌性提升五倍！開發高性能、低成本奧氏體鋼！
導讀：在低溫下，大多數金屬顯示出降低的延展性和沖擊韌性。本文首次報道了一種成分稀薄，細晶粒的Fe-30Mn-0.11C奧氏體鋼，打破了這一規則。隨著溫度的降低，強度、伸長率和夏比沖擊韌性都得到了提高。在液氮溫度下獲得的夏比沖擊能為453 J，約為常規低溫奧氏體鋼的四到五倍。高韌性歸因于錳和碳奧氏體穩定元素，以及晶粒尺寸減小至近微米級。在這種條件下，位錯滑移和變形孿生是主要的變形機制，而α-馬氏體和ε-馬氏體相變的脆化得到了抑制。這樣可以減少局部應力和應變集中，從而延緩了裂紋成核并延長了加工硬化。該合金價格低廉，可以通過常規生產工藝進行加工，使其適合工業中的低溫應用。
低溫金屬和合金在工業中得到廣泛使用，涵蓋了廣泛的領域，包括液化天然氣（LNG）儲罐，破冰船，超低溫超導性和外太空探索。對于此類應用，需要高低溫沖擊韌性，以防止在沖擊載荷期間發生災難性故障。這里的一個普遍挑戰是，金屬和合金的沖擊韌性幾乎總是隨著溫度的降低而降低。這樣，常規的金屬和合金已為低溫應用而開發，包括鋼、鈦和鋁，在低溫下具有相對較低的沖擊韌性，從而限制了它們在這樣的工作溫度下的應用。目前已經探索了該問題的解決方案，但這些合金的斷裂韌性仍僅限于中等值（<100 J）。此外，為了在這些合金中實現所需的性能，需要超純熔煉技術和復雜的熱處理，這導致了高生產成本。因此，開發出在低溫下韌性保持不變甚至增加的廉價、工業上實用的合金仍然是材料科學的一個夢想。
實際上，最近已經報道了具有超細晶粒結構的鐵素體鋼的韌性與溫度的逆相關性，其中，提高的韌性歸因于在對準的晶體切割面上的裂紋分支導致的細鱗片狀分層。然而，韌性的反溫度依賴性僅保持在-50°C的適度低溫下，相應的最大沖擊能量約為300J。在較低的溫度下，韌性以通常的方式急劇降低。最近，還報道了某些高和中熵合金（HEAs / MEAs）的沖擊韌性隨溫度降低而增加，例如CrMnFeCoNi，其中已獲得了約400 J的極高的低溫沖擊韌性。盡管具有如此高的低溫沖擊韌性，但由于與所需數量的昂貴合金元素（尤其是Co）相關的高成本以及大規模生產的復雜性，此類合金可能僅在有限的工業應用中使用。由于與HEA和MEA中使用的大量合金相關的可回收性方面的困難，此類合金的可持續性也是一個挑戰。
但是，從關于HEA的研究中可以吸取兩個教訓，這一點很重要。它們是：（i）通過降低溫度從室溫（RT）的平面滑動位錯活動過渡到較低溫度下的機械納米孿晶變形，可以實現超高沖擊能量，并且（ii）實現倒韌性-溫度關系，兩者的強度和延展性應該同時隨測試溫度增加。
受這些研究的啟發，我們在此報告的是細晶粒（平均晶粒尺寸為5.6 μm）Fe-30Mn-0.11C奧氏體鋼的數據。成分的選擇基于先前報道的Fe30Mn鋼的結果，并添加了少量的C作為額外的奧氏體穩定元素。結合適當的晶粒細化，所得到的鋼在低溫變形時能夠抵抗ε馬氏體的形成。結果表明，這種鋼既可以滿足上述兩個標準，又可以隨著低溫條件下溫度的降低而顯示出韌性的異常增加，從而在液氮溫度下產生超過450 J的超高夏比沖擊能。此外，該鋼僅由Cantor HEA的兩個元素以及少量的碳組成，并且僅通過常規的冷軋和退火工藝生產。簡單的合金組成，低成本和常規的加工路線能夠為該合金提供廣泛的低溫應用。相關研究成果以題“Cryogenic toughness in a low-cost austenitic steel”發表在commuincations materials上。
https://www.nature.com/articles/s43246-021-00149-8?
圖3：在RT和LNT沖擊試驗后，距斷口表面約1000 ?μm處的樣品的微觀結構。
微觀結構特征和力學結果均表明，本鋼滿足了以上提出的與溫度-韌性成反比關系的兩個標準。因此，進行了夏比沖擊試驗以驗證這一假設。在測試過程中，沒有一個樣品分成兩個獨立的部分，表明它們具有出色的韌性。實際上，我們發現，對于細粒樣品，隨著測試溫度從RT降低到LNT，沖擊韌性提高了36％。此外，細顆粒樣品在LNT處獲得了超過450 J的非凡低溫韌性，據作者所知，這代表了目前所有已報道的金屬和合金的新記錄。有趣的是，粗粒樣品的沖擊韌性遵循通常預期的韌性-溫度依賴性，隨著溫度從RT降低到LNT，韌性降低約38％。
圖4：在LNT進行夏比沖擊試驗后，使用微細斷層掃描法對細顆粒和粗顆粒樣品進行3D斷口形貌分析。a在LNT上進行沖擊測試后，細晶粒樣品的斷裂表面形成了一個大頸，沿夏比缺口的方向看到了主裂紋，而與夏比缺口的方向垂直的是從屬裂紋。b在LNT上進行沖擊測試后，在粗晶粒樣品中沿夏比缺口的方向出現一個單一的深裂紋，在該處看不到頸縮且斷裂表面平坦。
圖5：與各種低溫金屬的比較。LNT上不同錳鋼的夏比沖擊韌性的比較；水平的藍線顯示的是GB 24510-2009中厚度≤30 mm的鋼板中9％Ni的標準。b LNT處的夏比沖擊能與RT屈服強度的關系。b中引用的樣品的晶粒尺寸均在7.5–50 μm的范圍內。
總而言之，本研究證明了獲得具有極高低溫韌性的高錳，低碳鋼的可能性。通過將這些奧氏體穩定元素與適當的細晶粒尺寸相結合，已經實現了韌性的逆溫度依賴性，從而在細晶粒的Fe-30Mn-0.11C鋼中實現了> 450 J的低溫韌性。與具有高低溫韌性的高熵合金相比，錳的低價格和使用常規工藝路線的工業批量生產的適宜性相結合，使這種具有優異韌性的細晶粒Fe-Mn-C合金成為一種非常經濟的鋼。廣泛的低溫應用。
