简化工艺获超细晶高强钢，北科大等团队重要突破登上《自然》

在汽车轻量化等应用驱使下，科学家们对先进高强钢的追求越来越高。日前，来自中国、英国、美国的研究团队在顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了一项钢铁领域的重要突破成果，题为“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”。

研究团队首次通过调控共格无序析出适时且持续的钉扎再结晶晶界迁移，获得了具有高热稳定性的超细晶TWIP (孪晶诱导塑性)钢，强度及加工硬化同时提升，据此研发出一种仅通过简单轧制和退火工艺即可获得高性能超细晶钢的工业化晶粒细化技术。

这也就意味着，研究团队采用一种简化工艺即获得了高强韧超细晶奥氏体钢。

该项研究由北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授团队与英国谢菲尔德大学、美国国家标准与技术研究院及泰斯研究公司、郑州大学等国内外科研机构合作完成。论文的第一作者为来自谢菲尔德大学的中国学者高军恒博士后，通讯作者分别是北京科技大学新金属材料国家重点实验室的蒋虽合研究员和吕昭平教授、美国国家标准与技术研究院及泰斯研究公司的Huairuo Zhang和英国谢菲尔德大学的W. Mark Rainforth。

值得一提的是，开发性能优异并适合大规模生产的新型高强钢可以实现交通装备的轻型化，具有巨大的市场需求。而孪晶钢因其具有优异的成形性能、抗拉强度（800-1000MPa）和均匀延展性（≥50%）从而成为汽车轻型化设计的首选材料，但低的屈服强度严重制约工程应用。

因此，如何在保证其高加工硬化率、高塑韧性的同时大幅提升材料强度是交通装备制造等国民经济领域面临的关键问题。

细晶强化被认为是同步提升材料韧性和强度的重要手段。但是，据北科大官网介绍，由于孪晶钢在冷却过程中不具备固态相变，无法像低合金高强钢一样通过轧制和快速冷却等工艺达到超细晶粒的目的，因此不得不采用等通道转角挤压、高压扭转等大塑性变形方法获得超细晶。

这些方法生产成本高、样品尺寸小，而且细晶材料中通常含有高密度位错、空位等晶体缺陷，大大降低其均匀延展性，很难实现规模化生产。

为解决超细晶奥氏体钢的规模化制备的技术问题，上述研究团队研发了一种新型晶粒细化技术，即通过微量Cu合金化，在再结晶过程中实现超细再结晶晶粒内部快速、大量共格无序析出，通过强烈而持续的Zener钉扎抑制超细再结晶晶粒长大，从而实现工业化条件下获得超细晶TWIP。

结果显示，该技术通过影响局部层错能细化了超细晶TWIP钢的机械孪晶，而晶内无序析出几乎不钉扎位错移动，从而在细化晶粒的同时进一步提升了TWIP钢加工硬化能力。

通过这一技术所得到的超细晶钢屈服强度达到710MPa，抗拉强度高达2000MPa，同时均匀真应变超过了45%。

研究团队表示，该项技术具有一定的普适性，对其他合金体系的晶粒细化具有一定指导意义。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03246-3