上海工业大学材料科学与工程学院的Chu等人采用了一种创新的三功能共纳米析出策略来提高低温应用中低层错能（SFE）17Mn钢的力学性能。通过结合剧烈的冷变形和随后的退火，出现了一种分层结构，其特征是奥氏体基体中的（Ti，Nb）C碳化物（约10 nm）和富Cu金属间化合物（约2 nm），晶粒尺寸分布不均匀。与单沉淀（SP）钢相比，共析出（CP）样品表现出优异的性能，屈服强度为1150 MPa，拉伸伸长率为44.8%，液氮温度（LNT）下的冲击韧性为110 J，甚至超过了基体-17Mn钢。CP-17Mn样品在较大应变下显示出更高的密度和更薄的纳米孪晶，导致几何必需位错（GND）迅速增加。在拉伸和冲击试验中，有害的马氏体相变得到了有效抑制。观察到的逆强度-延性和强度-韧性权衡可归因于三功能共析出物的作用：它们提供分散强化，诱导结构异质性，并作为孪晶增厚的有效屏障。大尺寸的（Ti，Nb）C碳化物有助于晶粒细化和钉边界迁移，而较小的富Cu金属间化合物则抑制了纳米孪晶的生长和增厚，由于它们在孪晶-沉淀相互作用中的强应力场，防止了进一步的位错运动。这种新机制为在低温条件下开发具有精细致密纳米孪晶的高性能钢铺平了道路。
图1.（a）RT和LNT下不同退火温度样品的工程拉伸应力-应变曲线，（b）真实应变硬化率曲线，（c）动态压缩应力-应力曲线，以及（d）LNT下各种金属材料力学性能的比较。
图1a-b显示了各种17Mn钢在RT和LNT下的工程应力-应变和相应的应变硬化率（SHR）曲线。在室温下，SP-17Mn样品的YS（约633 MPa）和极限抗拉强度（约903 MPa）明显低于CP-17Mn样品（约744 MPa和约982 MPa），分别相差约111 MPa和79 MPa。相反，SP-17Mn的拉伸伸长率（TEL）更高，为55.2%，而CP-17Mn为43.6%。基底-17Mn材料的TEL最高（约62.0%），但YS最低（约505 MPa）。在LNT条件下，CP-17Mn样品的YS（约1150 MPa）和UTS（约1470 MPa）显著增加，而其拉伸延展性略有增加（约44.8%）。然而，SP-17Mn样品的抗拉强度随着温度的降低而增加，但其TEL显著降低至约32.7%。基底-17Mn样品中也出现了强度-延性权衡现象。表1总结了各种17Mn钢在不同温度下的拉伸性能。CP-17Mn在强度和拉伸伸长率方面表现最佳，约为57GPa.%。同时，与RT相比，LNT在整个低温变形阶段也表现出稳定的较高SHR值（约3000 MPa）。
图2.（a1，a2）IPF图，（b1，b2）相图和来自EBSD表征的CP-17Mn和SP-17Mn样品的相应粒度分布。（d）CP-17Mn和SP-17Mn样品的XRD图谱。
图2显示了CP-17Mn和SP-17Mn样品的初始反极图（IPF）、相图、粒度分布和XRD图。这两个样品都表现出主要的面心立方（FCC）再结晶γ奥氏体，具有随机取向，并伴有少量的六方密堆积（HCP）e-马氏体，如以e-马氏体峰为特征的XRD图谱所证实。这两种钢都表现出异质晶粒结构，其特征是晶粒尺寸范围很广，包括粗晶粒（CG>1 um）和细晶粒（FG<1 um）。表2提供了这两种钢中这些异质畴的分布、数量分数和平均尺寸的定量数据。令人惊讶的是，CP-17Mn和SP-17Mn样品的平均晶粒尺寸（AGS）值仅显示出很小的差异，SP-17Mn的CG比例略高。这与之前对无沉淀22Mn钢的研究形成鲜明对比其中740℃的较高退火温度导致了显著的晶粒生长和明显更大的AGS值。
图3.（a1，b1，c1，d1）CP-17Mn和SP-17Mn样品在间断拉伸应变为15%和30%的LNT下的相图、（a2，b2，c2，d2）KAM图和（e，f，g，h）相应的平均KAM分布。
图3显示了LNT下变形CP-17Mn和SP-17Mn样品的EBSD图。随着应变的增加，两个样品都保留了大量的奥氏体，ε-马氏体体积分数仅略有上升。此外，奥氏体晶粒明显拉长和细化。核平均错向图（KAM）提供了对几何必要位错（GND）分布的洞察，也随着变形的进行而增加。两个变形样品都表现出非均匀的KAM分布。为了分析异质性，选择了两个具有代表性的FG区域（由白框表示为sub1）和CG区域（由黄框表示为sub2）。
相关研究成果以“Tri-functional co-nanoprecipitates enhanced cryogenic ductility by inducing structural heterogeneity and refining nano-twins in a low-stacking-fault-energy 17Mn steel”为题发表在International Journal of Plasticity上（Volume 178，July 2024, Article number 104014），论文第一作者为Xiaoli Chu，通讯作者为Xiaoshuai Jia和Yu Li。
