納米鋼
關注創建者：揉進清晨里的春天 創建時間：2018-12-28
納米鋼的實例教程
近日，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室清潔納米能源中心沈同德教授團隊與國內外科學家合作，針對奧氏體鋼強度偏低、輻照后易腫脹以及納米晶金屬高溫下晶粒易長大等問題，創新性的通過界面元素偏聚及納米析出釘扎，制備出超強且具有優異的熱與輻照穩定性的塊體304L納米晶奧氏體鋼，相關研究成果于2018年12月19日在線發表于Nature Communications。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07712-x
與普通的粗晶粒金屬相比，納米晶金屬更強、更抗輻照。但是，納米晶金屬的熱穩定性通常較差，致使其高溫加工成型及應用受到很大的限制。沈同德教授課題組及其國內外合作團隊綜合利用稀土鑭元素的摻雜以及高溫高壓合成技術，開發出塊體納米晶/納米析出304L奧氏體鋼，納米晶粒尺寸約40納米，納米析出尺寸約5納米，納米析出密度高達5′1023m-3。
a,b: 納米鋼的壓縮、拉伸力學行為；b: 納米鋼(NC-SS)與其它鋼種的屈服強度對比；c,d,e: 納米鋼退火前后的晶粒尺寸；f,g: 粗晶鋼、納米鋼輻照后的微結構對比
該納米晶奧氏體鋼屈服強度高達2500 MPa，遠超粗晶304L奧氏體鋼數百MPa的屈服強度。該納米鋼具有極高的熱及輻照穩定性：800度/180小時保溫，無顯著晶粒長大；600度/108 dpa強輻照既無顯著晶粒長大，亦無任何輻照腫脹。實驗觀察表明，該納米鋼的超高熱穩定性可歸因于晶界上鑭元素偏聚在熱力學方面、大量細小的納米析出釘扎在動力學方面分別穩定化納米晶粒兩種因素。
展開 【引言】
不銹鋼在汽車、建筑、核能等領域大量使用。2017年，全球不銹鋼及耐熱鋼總產量高達4808萬噸。然而，不銹鋼的強度偏低，通常為數百MPa。制備高強不銹鋼可節約大量能源、資源，進一步可降低環境污染，具有重大的經濟和社會效益。與普通的粗晶粒金屬相比，納米晶金屬更強、更抗輻照。然而，納米晶金屬的熱穩定性通常較差，致使其高溫加工成型及應用受到很大的限制。為了解決上述問題，燕山大學的沈同德教授團隊與北京大學王宇鋼教授團隊、南京理工大學沙鋼教授團隊、美國普渡大學張星航教授團隊、美國西北太平洋國家實驗室胡深洋研究員合作， 通過綜合運用稀土鑭元素的摻雜以及高溫高壓合成技術，開發出納米晶/納米析出304L奧氏體鋼。該納米晶奧氏體鋼屈服強度高達2500 MPa, 遠超粗晶304L奧氏體鋼約數百MPa的屈服強度。該納米鋼具有極高的熱穩定性，800 oC /180小時保溫，無顯著晶粒長大。600 oC /108 dpa強輻照既無顯著晶粒長大，亦無任何腫脹。該納米鋼的超高熱穩定性可歸因于鑭元素在晶界上的偏聚、高密度富鑭納米氧化物的析出，分別在熱力學、動力學方面穩定化細小的納米晶粒。團簇動力學模擬表明，納米鋼中大量的晶界作為缺陷捕獲陷阱，可大幅度降低穩態空位濃度，進而抑制輻照腫脹的發生。相關研究論文發表在國際知名學術期刊Nature Communications上(影響因子12.353)。
展開 于是利用合金碳化物的納米級析出的高強度鐵素體鋼被提出來了。鋼的微細析出物被用于各種鋼。可作為納米級彌散的析出物有碳化物/氮化物、金屬間化合物和銅（Cu）等。低合金鋼最常用的析出物是碳化鐵（滲碳體），其尺寸在含有高密度位錯的微細彌散的回火馬氏體中是數十納米。為獲得充分的強化量，需要高碳化。而添加碳化物生成元素的馬氏體鋼，經500℃以上溫度回火處理，析出幾納米的合金碳化物。在添加鉬（Mo）、鈦（Ti）、鈮（Nb）和釩（V）等鋼中，與先析出滲碳體不同，是析出微細合金碳化物，呈回火二次硬化。具有Ti、Nb和V等B1（NaCl）型結構的合金碳化物的納米級析出，因鐵素體和碳化物間的界面本身或該碳化物周圍的共格應變場成為氫陷阱，所以對抑制高強鋼的延遲斷裂有效。
鐵素體析出的Cu，析出初期生成與具有bcc結構的鐵素體共格的bcc團簇，隨著時效的進行，從密排層狀結構的9R向fcc結構轉變。因Cu是軟質粒子，所以在顯示切斷機制的析出強化時，也改善延性，該納米級析出也用于提高超低碳IF鋼的烘烤硬化性。另一方面，在馬氏體時效鋼和析出強化型不銹鋼等高合金鋼中，與合金碳化物析出的二次硬化相同，通過高溫回火處理析出納米級硬質相Ni3Al、Ni3Ti、FeMo等，強度顯著提高。在最近高強鋼的研發項目中，除合金設計和鍛造/冷卻工藝控制的進一步高強化以外，還進行構件內部強度分布控制、微細組織和材質預測模型的開發。最近，利用熱軋后卷取工序的鐵素體相變時發生的（Ti、Mo）C相界面析出的高強度、高延性低碳鐵素體薄鋼板也正在實用化。
在Fe-0.1%C-1.5%Mn鋼中添加0.3%V的合金VC相界面析出組織的，用TEM以觀察到相界面析出的特有的VC周期性點列狀分布。如果含有這種合金碳化物納米級析出的鐵素體鋼變形，碳化物成為位錯運動的障礙，就會獲得高的屈服強度。
展開 特別是對于316 型奧氏體不銹鋼這類廣泛應用于汽車、建筑和核工業等領域，需要同時兼具結構強度和抗腐蝕性的材料，晶粒細化能在顯著提高強度的同時，避免其他強化方法如第二相強化對抗腐蝕性可能造成的不良影響。然而，較高的屈服強度及有限的加工硬化能力通常會導致納米結構材料的塑性失穩；此外，在制備塊體納米結構材料的過程中，往往會引入大量的位錯等缺陷，這會進一步降低材料的加工硬化能力，從而降低其均勻延伸率，限制其工程應用。因此，如何實現納米結構材料的強塑性匹配性，一直是結構材料領域的一個熱點問題。
獲得具有低位錯密度的均質納米結構材料是實現良好強塑性匹配性的一條可能途徑。一方面，在回復或再結晶的納米結構材料中，會出現一些新型強化機制，進一步提高強度；另一方面，低位錯密度的初始狀態可為工程應用過程中塑性變形時的位錯滑移及積累留出充足的空間，從而提高材料的加工硬化能力及均勻延伸率。
近日，北京航空航天大學、日本京都大學、天津大學的研究人員合作，采用劇烈塑性變形及精細熱處理技術對316LN奧氏體不銹鋼的晶粒尺寸進行了系統的調控，力學性能測試表明納米晶樣品呈現顯著的退火硬化效應，而完全再結晶超細晶樣品則兼具優異的強度和塑性，進一步的電子顯微觀察和中子衍射分析表明位錯密度是調控納米晶/超細晶樣品力學性能的關鍵。
展開 由于鐵(Fe)的密度與其他輕質合金(例如Al、Mg)相比較高，鋼的比強度(YS/ρ和UTS/ρ)通常處于劣勢，而剛度是相似的。通過先進的合金化和微結構工程，鋼的特殊強度可以顯著提高，達到或超過先進輕合金的水平。但是，用于提高比強度的策略對鋼的楊氏模量(190-210 GPa)沒有顯著影響，比剛度大約為24-26 GPa·cm3/g，因此，高強度鋼制成薄壁部件時無法抵抗較小的變形，例如彎曲撓曲。通過結合剛性和輕質陶瓷相，可以同時提高鋼的比強度和比剛度（例如加入二硼化鈦TiB2），但是基于Fe-TiB2復合材料制備高模量鋼（HMS）存在著增強的機械性能和主流生產制造之間權衡的一大難題。
來自美國加利福尼亞大學、北京科技大學等單位的研究人員提出了新的概念，使用低體積分數的納米顆粒（TiB2）生產高性能高模量鋼（HMS），研究納米處理的Fe-Ti-BHMS的微觀結構，相較于傳統HMS力學性能更高，屈服強度達510MPa，抗拉強度達950MPa，同時保持高楊氏模量、低密度和延展性，滿足大規模生產條件。相關論文以題為“Nano particle enabled high performance high modulus steels”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113954
本文通過熔融鹽混合物將少量異質形核劑TiB2納米顆粒（7.35%-12%）加入到共晶Fe-5.53Ti-2.29B中，此過程稱為納米處理（NT），而后以小于5K/s的冷卻速率緩慢凝固（接近平衡凝固）。冷卻后將鑄錠在1050℃鍛造成矩形棒，后進行爐冷以消除殘余應力。
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納米鋼的最新內容
針對奧氏體不銹鋼屈服強度偏低這一不足，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室杜林秀教授團隊以304不銹鋼為研究對象，基于前期研究基礎并結合企業當前工藝裝備條件，利用變形誘導馬氏體相變及逆相變退火的耦合作用并結合循環相變細晶原理，提出通過熱軋-冷軋-退火一體化控制，利用多階段冷軋-退火工藝實現實驗鋼的組織納米/亞微米化，將屈服強度提高了約3~4倍。
多個學者研究了PSW的微觀結構及其與優異力學性能的關系，全珠光體鋼由納米鐵素體和滲碳體(Fe3C)片層組成，高密度間相邊界作為位錯滑移的障礙，顯著增加了材料的流動應力。隨著變形應變的增加，層間距離減小，冷拉鋼絲的強度進一步提高。在珠光體中，雖然滲碳體/鐵素體界面的結構已經研究了很長一段時間，但直到近年來，原子水平的結構-性質相關性才受到重視。
晶粒細化至超細晶（d＜1μm）甚至納米晶（d＜100nm）尺度是在不改變合金成分的前提下，大幅提升金屬材料強度的重要途徑。特別是對于316 型奧氏體不銹鋼這類廣泛應用于汽車、建筑和核工業等領域，需要同時兼具結構強度和抗腐蝕性的材料，晶粒細化能在顯著提高強度的同時，避免其他強化方法如第二相強化對抗腐蝕性可能造成的不良影響。然而，較高的屈服強度及有限的加工硬化能力通常會導致納米結構材料的塑性失穩；此外
鋼是最重要的結構材料，因為它資源豐富，成本較低，并且具有范圍最廣的強度和延性組合。由于鐵(Fe)的密度與其他輕質合金(例如Al、Mg)相比較高，鋼的比強度(YS/ρ和UTS/ρ)通常處于劣勢，而剛度是相似的。通過先進的合金化和微結構工程，鋼的特殊強度可以顯著提高，達到或超過先進輕合金的水平。但是，用于提高比強度的策略對鋼的楊氏模量(190-210 GPa)沒有顯著影響，比剛度大約為24-26 GP
圖5 高分辨TEM表征新型實驗鋼中納米增強相的析出：（a）h-Ni3(Ti,Al)析出相位于馬氏體/奧氏體相界面；快速傅里葉變換圖像：（b）馬氏體/奧氏體相界面，（c）h析出相/奧氏體相界面，（d）h析出相/馬氏體相界面；（e）環形明場掃描TEM圖像，（f）析出相能譜及（g）放大后高分辨TEM圖像顯示奧氏體內部的h析出相。
a,b: 納米鋼的壓縮、拉伸力學行為；b: 納米鋼(NC-SS)與其它鋼種的屈服強度對比；c,d,e: 納米鋼退火前后的晶粒尺寸；f,g: 粗晶鋼、納米鋼輻照后的微結構對比
該納米晶奧氏體鋼屈服強度高達2500 MPa，遠超粗晶304L奧氏體鋼數百MPa的屈服強度。
該納米鋼具有極高的熱穩定性，800 oC /180小時保溫，無顯著晶粒長大。600 oC /108 dpa強輻照既無顯著晶粒長大，亦無任何腫脹。該納米鋼的超高熱穩定性可歸因于鑭元素在晶界上的偏聚、高密度富鑭納米氧化物的析出，分別在熱力學、動力學方面穩定化細小的納米晶粒。團簇動力學模擬表明，納米鋼中大量的晶界作為缺陷捕獲陷阱，可大幅度降低穩態空位濃度，進而抑制輻照腫脹的發生。
【引言】
17-4沉淀硬化不銹鋼(17-4 PH SS)因具有高的強度以及良好的塑性，被廣泛使用在核電、航空航天等領域。以往研究表明，富Cu相析出強化是造成高強度的主要原因。17-4PH SS時效過程中，多元納米相會發生協同作用，對力學性能具有重要的影響，但協同作用機理未得到認識。本文主要對17-4 PH SS 450℃時效過程中納米相的析出演變機理及其對力學性能的影響進行了研究
例如，日本產業技術綜合研究所下設計算科學研究所，其主要研究方向有納米、能源與環境、生物等領域的模擬技術以及集成模擬系統；日本理化學研究所采用模擬和實驗結合的方法，在高溫鈦合金、貴金屬耐熱合金、超級鋼、納米結構與分子開關等領域開展了深入的研發。
鋼的微細析出物被用于各種鋼。可作為納米級彌散的析出物有碳化物/氮化物、金屬間化合物和銅（Cu）等。低合金鋼最常用的析出物是碳化鐵（滲碳體），其尺寸在含有高密度位錯的微細彌散的回火馬氏體中是數十納米。為獲得充分的強化量，需要高碳化。而添加碳化物生成元素的馬氏體鋼，經500℃以上溫度回火處理，析出幾納米的合金碳化物。
