近日，中南大学粉末冶金国家重点实验室王章维教授和宋旼教授合作，在国际学术期刊《Science》上在线发表了题为“Shearing brittle intermetallics enhances cryogenic strength and ductility of steels”的研究论文，中文题目为“剪切脆性金属间化合物提高钢的低温强度和塑性”。粉末冶金研究院博士研究生王峰和宋淼教授为该论文共同第一作者，王章维教授，宋旼教授和德国马普学会可持续材料研究所Dierk Raabe教授为论文共同通讯作者。该论文的第一单位为中南大学粉末冶金国家重点实验室。王章维教授是项目的发起人，设计了整篇论文的思路，整个项目由王章维教授、宋旼教授和Dierk Raabe教授共同指导完成。
图1：论文首页截图
论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ado2919
沉淀强化一直是提升金属材料强度的关键手段。析出相通过阻碍位错运动而产生显著的强化作用，长期以来，这种强化效果主要通过共格析出相的位错切过机制或非共格析出相的位错绕过机制来实现。然而，近期王章维教授和宋旼教授的研究成果却突破了这一传统理论框架，在低密度奥氏体高熵钢低温拉伸变形过程中，发现了一种位错切过硬脆B2相（通常被认为是不可剪切的金属间化合物）的强韧化新机制，为金属材料的强韧化开辟了新的道路。
图2.B2纳米析出相和亚纳米级局部化学有序(LCO)组成的多层级结构
准静态单轴拉伸试验的工程应力应变曲线表明，在低温下，高熵钢具有超高的屈服强度1586 MPa和极限抗拉强度1976 MPa，同时还拥有高达34%的延伸率，克服了传统Fe-Mn-Al-C低密度钢中L’12型κ-碳化物强化引起的低温脆性问题。因此，凭借其超高的比强度和相对低廉的成本优势，高熵钢有望成为液化天然气（LNG）运输和储存的理想材料。
图3. 高熵钢优异的低温力学性能
研究发现，高熵钢在塑性变形过程中平面滑移的位错能够切过硬脆的B2相颗粒，这主要是通过局部化学有序(LCO)结构和固溶强化引起的超高晶格摩擦应力来实现的。随着应变的增加，层错、孪晶等变形机制被激活，增强了加工硬化能力，从而进一步提高了位错剪切B2相颗粒的比例。B2相颗粒的剪切变形有效地缓解了奥氏体与B2颗粒异质界面处的应力集中，抑制了裂纹的萌生。
图4. 位错滑移切过B2相颗粒
图5. 低温拉伸变形过程中微观组织结构演变。
总的来说，本研究采用高熵合金的多主元策略，在奥氏体基体中设计了高密度的局部化学有序结构，结合显著的固溶强化，有效提高了晶格摩擦应力，使得位错得以剪切脆性的B2相颗粒。这种独特的脆性金属间化合物剪切机制，不仅利用了第二相的固有强化效果，而且还通过位错剪切改善了塑性，大幅提升了材料在低温条件下的力学性能。这一重要发现有望被广泛应用于各类金属材料中，进一步提升材料的性能，满足不同领域的需求，从而推动金属材料科学的发展。
上述研究为王章维教授及宋旼教授前期工作的重要延续。王章维教授近年来一直致力于轻质高强钢的设计与开发，揭示其内在强韧化机理，并发表了一系列高水平论文，包括Nature Communications(13 (2022) 3598)、Science Advances (6 (2020) eaba9543)等。本项研究成果得到了国家重点研发计划，国家级青年人才项目，湖南省科技创新领军人才，粉末冶金国家重点实验室的支持。
作者：王章维
（一审：李卉淼 二审：靳有良 三审：刘彬）
