一、研究背景及意义
超强材料通过减轻运输工具重量，可显著提升能源利用效率。迄今为止，通过剧烈塑性变形实现晶粒细化是制备块体强纳米结构金属最有效的方法，但其工业化放大生产一直面临挑战。本研究报道了一种通过异质结构与间隙原子调控的温轧工艺制备的超高强度（2.15 GPa）低碳纳米钢。 该纳米钢由超薄片层（约17.8纳米）构成，其形成得益于两种未报道过的机制：（一）通过调控温轧温度提升双相异质结构的变形协调性；（二）碳原子在片层边界偏析以稳定纳米片层结构。与直觉相反，温轧比冷轧能产生更细的片层结构，这揭示了调控含间隙原子异质结构变形协调性对纳米晶化的重要潜力。这种此前未报道的方法适用于大多数低碳低合金钢，可在工业规模下用于生产超高强度材料。
此项研究的核心成果在于提出了一种简单且可实现规模化工业应用的新型工艺——利用“异质结构与间隙原子调控的温轧”，成功制备出具有超高强度和优异热稳定性的低碳纳米钢。传统的剧烈塑性变形技术虽能获得纳米结构，但难以实现工业化大规模生产。该研究团队巧妙地在300°C下对一种具有原始铁素体-马氏体双相异质结构的低碳低合金钢进行90%减薄的温轧，发现了一个反常规直觉的现象：温轧比冷轧更能有效细化组织，获得了平均片层厚度仅为~17.8纳米的均匀纳米层状结构。 这一微观结构的极致细化归功于两大未被充分认识的机制：其一，在适度升温下，铁素体和马氏体两相之间的变形相容性得到显著改善，实现了均匀协同的大应变变形；其二，碳原子在变形过程中动态地扩散并偏聚于纳米片层界面（平均间距~15.2纳米），有效地钉扎了晶界，抑制了再结晶和晶粒长大，从而稳定了这一极细的纳米结构。该方法赋予了该低碳钢高达2.15 GPa的创纪录抗拉强度和出色的400°C以下热稳定性。更重要的是，此项工艺完全基于现有轧钢设备，仅需调整轧制温度，适用于绝大多数低碳低合金钢体系，为低成本、大规模生产超强结构钢材，尤其是在减轻交通运输工具重量以提升能源效率方面，开辟了一条极具前景的创新路径。图 1：典型钢样的扫描电子显微镜显微照片及力学性能。(A与B)冷轧与温轧钢样的工程应力-应变曲线，与初始纤维状双相(DP)钢样对比。(A1)、(A2)和(A3)分别为冷轧压下率30%、60%和90%试样的扫描电子显微镜(SEM)显微结构照片；(B1)、(B2)和(B3)分别为温轧压下率30%、60%和90%试样的扫描电子显微镜(SEM)显微结构照片。(C)展示纤维状双相显微结构的SEM显微照片。。图 2：轧后微观结构的透射电子显微镜表征。(A)和(B)分别为冷轧(CR)与温轧(WR)钢样品的明场透射电子显微镜图像，展示了其微观结构。(C)轧制钢样品的晶粒尺寸分布。(D)高分辨率透射电子显微镜图像，呈现典型纳米层片中的细节。 (E)和(F)为通过快速傅里叶变换在(D)图中标记区域E和F获得的衍射花样。(G)高分辨率透射电子显微镜图像，显示纳米层片中储存的高密度位错。图 3：冷轧与温轧样品的原子探针层析技术分析。(A与B) 90%温轧样品中C、Si、Mn和Fe元素的三维原子分布图。(C) 沿(A)中黑色标记线测得的C、Si和Mn原子浓度分布。(D) 基于(C)数据绘制的0至100纳米范围内C原子浓度分布。(E与F) 冷轧样品中C、Si、Mn和Fe元素的三维原子分布图。(G) 沿(E)中黑色标记线测得的C、Si和Mn原子浓度分布。(H) 基于(G)数据选取的30至130纳米范围内C原子浓度分布剖面。wt%为质量百分比。图4：在300°C下微观结构稳定性的原位透射电镜观察。 (A)至(E)分别为样品在300°C下保持0、30、60、90和120分钟时同一位置的透射电镜图像。 (F) 标号层片厚度随退火时间的变化关系。
图5：优异的机械性能。(A) 突出展示了温轧强化相较于其他加工方法的效率优势。(B) 强调了极端结构细化对碳钢强度的重要贡献。相关对比文献列于表S1中。ARB，累积轧制结合；DPD
该研究通过结合异质结构设计与间隙原子调控的温轧工艺，成功在工业规模上制备出具有创纪录超高强度的低碳纳米钢。研究发现，在300°C下对初始铁素体-马氏体双相异质结构钢进行90%厚度减薄的温轧，能够获得平均片层厚度仅为约17.8纳米的均匀纳米层状结构，并实现2.15 GPa的抗拉强度。这一成果的核心结论在于揭示了两个此前未被充分认识的机制： 首先，通过调整温轧温度，有效改善了双相异质结构的变形协调性，使得原本强度差异较大的马氏体和铁素体能够更均匀地协同变形，从而实现了远超冷轧的微观结构细化效果；其次，在温轧过程中，间隙碳原子动态地扩散并偏聚到新形成的纳米片层界面，形成了平均间距约15.2纳米的富碳区，这些偏聚的碳原子有效钉扎了晶界，显著抑制了动态回复、再结晶和晶粒长大，从而稳定了这种极细的纳米结构。研究还通过原位透射电镜观察证实，该纳米结构在高达400°C的温度下仍能保持良好的热稳定性。这一策略不仅突破了传统剧烈塑性变形技术难以规模化生产的瓶颈，而且仅需在现有轧钢设备上调整工艺温度，无需重大改造，为低成本、大规模生产高性能低碳结构钢开辟了一条全新的、极具工业化潜力的技术路径。DOI 号：10.1126/sciadv.aba8169.文章题目：Ultrastrong low-carbon nanosteel produced by heterostructure and interstitial mediated warm rolling
