材料科学：最小の格子ミスフィットと高密度ナノ析出による超高強度鋼の実現
Nature 544, 7651 doi: 10.1038/nature22032
軽量設計戦略や先進的エネルギー応用には、次世代高性能構造材料が必要とされている。マルテンサイト母相とナノ析出物が共存するマルエージング鋼は、こうした要求に適合する可能性のある高強度材料の一種である。マルエージング鋼の群を抜いた強度は半整合析出物に由来するが、この半整合析出物は不可避的に不均一な分布を示し、この分布が大きな整合ひずみをもたらして、荷重下で亀裂発生を促進する可能性がある。今回我々は、高密度のナノ析出と最小の格子ミスフィットによる超高強度合金鋼を設計する反直観的な戦略について報告する。我々は、こうした高度に分散し十分整合した析出物（すなわち、析出物の結晶格子が周囲の母相の結晶格子とほぼ同じ）が、母相との非常に小さい格子ミスフィットと高い逆位相境界エネルギーを示し、延性を犠牲にせず合金の強度を高めることを見いだした。格子ミスフィットが小さい（0.03 ± 0.04％）ことから析出の核生成障壁が低くなるため、極めて高い数密度（1024 m−3以上）と小さなサイズ（約2.7 ± 0.2 nm）のナノ析出物が析出可能になり、安定化する。粒子周辺の弾性ミスフィットひずみの最小化は、一般的に高強度化に必要とされている転位相互作用にはあまり寄与しない。そうではなく、我々の高強度化機構は、転位によって析出物が切断されるときに逆応力（変形に対抗する力）を発生させる化学的秩序化効果を利用している。我々は、Ni(Al,Fe)析出物で強化した鋼種を作製し、その強度は最高2.2 GPaで、延性は約8.2％と良好であった。この化学組成の析出物は、コバルトやチタンといった必須ではあるが高価な合金化元素を、安価で軽量なアルミニウムに置き換えているため、従来のマルエージング鋼と比較して原価を大幅に低減できる。この種の合金鋼の高強度化は、最小の格子ミスフィットに基づいて、最高の析出物分散と高い切断応力（転位が整合析出物を切断して塑性変形を生じさせるのに必要な応力）を達成するものである。我々は、この格子ミスフィット設計コンセプトが、他の多くの金属合金に適用できる可能性があると予想する。
