指南：几十年来，晶界工程已被证明是提高金属材料力学性能最有效的方法之一，但可实现的精细结构是有限的，因为一旦暴露在热环境中，晶粒尺寸会迅速增加（晶界的热稳定性低）。本文开发了一种独特的化学边界工程 (CBE) 方法，该方法增加了可用合金设计策略的多样性，这使我们能够创建一种即使在高温加热后也具有超细层异质微观结构的材料。当这种方法应用于碳含量仅为0.2%（重量）、具有良好延展性（>20%）的普通钢时，最终强度水平可超过2.0GPa。

高延展性、高强度钢对于解决轻量化运输和安全基础设施问题至关重要。高强度钢，尤其是极限抗拉强度超过 2.0 GPa 的钢，通常需要高含量的碳 [> 0.4wt%] 或昂贵的掺杂元素，如钴、镍和铬。然而，由于可焊性和成本限制，在建筑钢中使用高碳和掺杂含量并不重要。相反，具有高密度晶格缺陷的微观结构是制造廉价、高强度钢的更好方法。

在这些缺陷类型中，晶界 (GB) 和相界 (PB) 是金属晶体中的平面不连续性，它们在调整多晶材料的机械响应方面特别有效（图 1A 和 B）。晶界工程（GBE），例如调整GBsPBs的数量或排列，已被广泛用于提高先进工程材料的机械性能。然而，当合金暴露于机械或热负荷时，GB 相关性能的进一步增强受到这些晶面界面的不稳定性（低热稳定性和高迁移率）的限制，例如，导致晶粒粗化。

为了扩大材料设计的维度，一种尚未被充分探索以构建新微观结构的平面缺陷，即化学边界 (CB)，可以作用于材料的局部相变响应。 CB 代表连续晶格区域中非常陡峭的化学不连续性，如图 1C 所示。在我们的研究中，每个 CB 都是前 PB 的残余物，在去除晶体结构的局部变化后保留元素分布。 CBs 形成后，它们将作为一个强大的屏障，限制随后的相变到超细（亚微米）域。

基于此，清华大学陈浩教授团队联合德国马克斯普朗克研究所、东北大学、代尔夫特理工大学等国内外顶尖研究机构，用这种方法制作了一部小说马氏体和奥氏体分别具有纳米级板条和纳米孪晶结构的异质结构。在钢中没有高碳含量或昂贵元素掺杂的情况下，这种方法实现了超过 2.0 GPa 的极限抗拉强度和极高的延展性 (> 20%)。相关研究成果题为《化学边界工程：通往精益超强韧性钢的新途径

“发表于科学进展

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图 1. PB、GB 和 CB 的示意图。 (A) PB，不同晶格类型的两个晶粒之间的边界。 (B) GB，相同晶格类型但具有不同晶体取向的两个晶粒之间的边界。 (C) CB 定义为晶格连续区域中至少一种元素浓度的急剧不连续性，例如非常陡峭的化学梯度。请注意，我们的 CB 不涉及晶体结构或晶格取向的任何变化。不同的颜色代表不同元素类型的原子。

图 2. 用 CBE 方法加工的钢的显微组织演变，证实了 CBs 对马氏体转变的强烈影响。 (A) 艺术加工钢的面心立方(FCC)相(红色区域)的EBSD图像质量图与相色图叠加，显示奥氏体(γ)和铁素体(α)的等轴组织，和(C) γ 和马氏体 (α') 的超细双相结构。 (B) CBE法超快速加热淬火过程中钢的组织演变示意图，以说明GB、PB和CB的作用。 (D和E) TEM图像与EDS分析显示了ART处理钢的γ和α之间的显微组织和Mn浓度分布，而(F和G)则是CBE处理钢的γ和α'之间的组织和Mn分布。通过3D-APT，γ和α（H和I）之间以及γ和α'（J和K）之间的Mn分布揭示了接近原子水平的Mn分布

。

图 3. CBE 处理钢的 Nano-Auger-EBSD 和 TEM 分析。 (A) 奥氏体反极图和马氏体图像质量图的组合。 (B) (A) 之前的奥氏体重建表明，中心的马氏体块与周围的奥氏体具有相同的母奥氏体取向。 EBSD图中的蓝线和绿线分别对应大角度和小角度GBs（错位≥15°和5°-15°之间）。 (C) 沿 (A) 中白线扫描纳米俄歇线获得的 Mn 浓度分布进一步证实了 CB 阻碍了马氏体转变。 (D) TEM 明场显微照片显示纳米晶马氏体板条在 CB 处停止。原始奥氏体晶界 (PAGB) 代表原始奥氏体 GB。 (E) 对应于 (D) 中标记区域的选定区域的衍射图显示，CB 两侧的 α' 和 γ 具有相同的母奥氏体，并且具有密切的 Nishiyama-Wassermann 关系。 (F) 沿着 (D) 中的白线通过 TEM-EDS 线扫描获得的 Mn 浓度分布。

文章来源：《化学教与学》 网址: http://www.hxjyxzz.cn/zonghexinwen/2021/0816/973.html