1. 简介

通过塑性变形及部分再结晶处理制备了块体纳米孪晶固溶奥氏体钢，随后进行时效处理促使γ’相沿孪晶界大量析出。这些纳米析出相与两侧奥氏体基体保持共格关系，并继承了孪晶界结构。

受纳米析出相约束的纳米孪晶表现出优异的热稳定性，能有效阻碍高温下的位错运动。实验结果显示，样品在700℃下屈服强度高达780 MPa。与峰值时效的粗晶样品相比，含有约49 vol.%纳米孪晶与第二相复合结构的样品在700℃时强度提升约60%。

这种纳米孪晶与纳米析出相的协同强化机制，为提升材料高温强度提供了新策略。

2. 文章亮点

1. 纳米孪晶与析出相协同强化结构
通过塑性变形和时效处理，在奥氏体钢中构建了纳米孪晶与γ’相共格析出的复合结构，孪晶界处的纳米析出相显著提升了材料高温强度（700℃下屈服强度达780 MPa）。

2. 孪晶界析出相的热稳定性调控
γ’相沿共格孪晶界定向析出，并继承孪晶界结构，通过钉扎孪晶界台阶抑制退孪晶行为，使纳米孪晶在高温（800℃）下仍保持稳定。

3. 缺陷选择性析出技术
通过控制孪晶片层厚度（~30 nm）和时效参数，实现析出相优先在纳米孪晶区富集，而再结晶晶粒和无序位错区几乎无析出，形成局部强化的非均匀结构。

3. 研究背景

提升材料的高温力学性能始终是材料科学家的研究重点，也是航空航天、能源等领域的重大需求。目前提高金属材料高温强度的设计方法主要是合金化，即向材料中添加难熔元素，利用第二相析出或固溶原子钉扎位错。然而，这种强化策略的效果受限于固溶元素的溶解度。因此，需要开发额外的高温强化策略以进一步提升力学性能。

通过引入高密度晶界（GBs）细化晶粒可有效强化金属材料室温性能，其遵循经典的Hall-Petch关系。例如，将纯铝和纯铜的晶粒尺寸细化至100 nm以下时，其屈服强度可成倍提高，而它们的纳米晶合金强度甚至超过某些商用钢种。在许多合金体系中，晶界强化的效果甚至超过析出强化和固溶强化。然而，当金属材料温度升高时，原子运动加剧，导致位错湮灭加速和晶界滑移增加，从而削弱晶界的强化作用。

与传统大角度晶界相比，孪晶界（TBs）表现出卓越的热稳定性。例如，纳米晶铜在室温下即发生晶粒粗化，而纳米孪晶铜的粗化温度高达800℃（约0.8 Tm，Tm为熔点）。这归因于孪晶界的低过剩能（仅为大角度晶界的10%）和零曲率特性。因此，孪晶界有望在高温下保持稳定，并作为位错运动的障碍。研究表明，纳米孪晶结构在纯金属和合金中均具有显著的室温强化能力。此外，孪晶界上的析出相可进一步提升纳米孪晶的稳定性并协同增强强度。由此可见，纳米孪晶与纳米析出相的复合结构在改善材料高温力学性能方面具有巨大潜力。

4. 图文解析

5. 文章结论

孪晶和析出相在合金中并不罕见，尤其在高合金钢中。通过塑性变形成功地将纳米级孪晶引入固溶奥氏体钢中。随后的时效处理促使大量γ’相颗粒在纳米孪晶束内部析出。这些细小的析出相规则地分布在共格孪晶界上，与稳定的孪晶界共同为样品提供了优异的高温强度。这种来自纳米孪晶和纳米析出相的复合强化策略有望拓展金属材料在高温环境下的应用。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115938