近日，上海交通大学材料科学与工程学院王晓东教授团队与东北大学李花兵教授、美国约翰霍普金斯大学陈明伟教授合作在高氮不锈钢领域取得重要进展。研究成果“Martensitic transformation induced planar deformation of AlN nanoprecipitates in high nitrogen stainless steels”发表于国际塑性领域顶刊International Journal of Plasticity。

上海交通大学王晓东教授、东北大学李花兵教授和美国约翰霍普金斯大学陈明伟教授为文章共同通讯作者，上海交大博士生张雨萌和胡逸轩为该论文的共同第一作者。研究工作得到了吉林大学高一鹏教授，上海交大沈耀教授等合作者的大力支持和国家自然科学基金（No. U1960203, 51971135, 52171010, 51821001）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103631

同时具有高强度和高延伸率的金属材料在轻量化结构应用中备受追捧，其中，千兆级高强度钢的开发一直是研究的热点。高氮马氏体不锈钢作为最具竞争力的资源节约型钢种之一，因其超高硬度/强度和优异的抗疲劳、抗腐蚀性能，广泛应用于航空航天轴承、切削工具和海上应用等。在高冲击应力、高温和腐蚀环境的恶劣服役条件下，其过早失效往往是由Al2O3、AlN和TiN等致命的夹杂物或有害析出相引起的。钢中残留的Al和添加的N元素之间容易结合形成具有尖锐棱角的硬质AlN析出相，从而引起局部应力集中、诱发微裂纹。而对钢中Al含量的严格要求对原料和加工成本提出了巨大的挑战。

先前对AlN这一典型的高硬度共价键陶瓷材料的研究集中于其在钢中的析出热力学和动力学以及其作为光电器件材料的功能特性上。但AlN析出相的变形行为及其与钢基体的相互作用尚未被揭示。研究团队首次观察到了AlN纳米析出相中存在层错这一在高层错能材料中罕见的平面变形模式（图1），并结合密度泛函理论研究和马氏体晶体学唯象理论验证了AlN的塑性变形是由钢基体的马氏体相变激活的（图2）。另外，原子尺度的应变分析表明了AlN和马氏体基体界面处存在由马氏体相变引起的局部高应力/应变（图3），而通过AlN纳米析出相中层错辅助的塑性变形可以缓解应变兼容性矛盾，有利于改善高氮钢的加工及综合性能，并且避免马氏体钢的过早失效（图4）。

这一发现和研究使得残留Al的含量上限得以提高到正常炼钢水平，从而扩大高氮钢生产的工艺窗口，为有效减轻AlN析出物的有害影响并降低生产成本开辟了一条新的道路。

图1 QT-330Al高氮马氏体不锈钢中AlN的S/TEM表征及应变分布图

图2 层错生成过程的第一性原理模拟研究

图3 AlN附近马氏体基体内部的应变分布图

图4 AlN纳米析出相对高氮马氏体不锈钢的力学性能的影响