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同时成倍提高强度和塑性!哈工程发明一种新型钢铁材料

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兼具高强度和高塑性的先进结构材料对于实现减重、节能减排以及经济社会可持续发展是至关重要的。然而,传统的材料设计方法往往在提高强度的同时损耗塑性,难以实现两者兼得。近年来,为了改善强度和塑性无法权衡的问题,双相结构设计在材料开发中扮演越来越重要的角色,双相设计的基本原理在于利用两相中软相良好的变形能力提供塑性。软相首先发生变形,当软相变形到一定程度后,迫使硬相依靠界面强化提高强度。这种传统的双相材料当硬相强度远高于软相时,裂纹极易在双相界面处萌生,损害材料塑性。

哈尔滨工程大学张中武教授团队为解决上述问题,创新性地提出了一条反常规的设计方法,发明了具有框架结构的时效马氏体-奥氏体双相钢。该方法利用双相钢中的硬相即时效马氏体控制塑性变形并构成显微框架结构,软相奥氏体被包裹在马氏体形成的框架中。相关研究以题为“Mechanical properties and deformation mechanisms of a novel austenite-martensite dual phase steel”发表在International Journal of Plasticity上,第一作者为许松松博士,这也是许松松博士在该刊上发表的第二篇论文。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641919306448

该方法的实现方式是通过巧妙的成分和工艺设计形成含铜马氏体和奥氏体双相钢。利用Cu在奥氏体中具有较高的固溶度而在马氏体中固溶度低的特点,通过简单的时效处理,在马氏体中形成大量细小弥散的富铜和NiAl纳米相,而进一步大幅度提高硬相马氏体的强度,使高强度马氏体形成显微框架结构控制屈服点而大幅提高双相钢的强度。

更重要的是,时效强化后硬相马氏体可以通过其晶粒间同步变形和转动首先充分释放本身的塑性,随后马氏体和奥氏体双相间动态应力应变配分诱导双相协同变形,并触发奥氏体的奥氏体相的相变诱导塑性(TRIP)效应,形成加工硬化平衡区进一步贡献塑性。同时,双相协同变形和动态应力应变配分有效抑制了界面处应力集中,延迟了裂纹的萌生。从而实现了通过简单的马氏体时效提高硬相强度形成显微框架的方法使钢的强度和塑性成倍协同提高。

本方法不仅实现了在马氏体-奥氏体双相钢中通过简单的时效处理提高硬相而使强度和塑性同时成倍提高,也可能为新型双相合金的设计提供一种新的思路。

本研究中显微框架结构的确定以及双相协同变形机制的阐释得益于我国原位中子衍射技术的发展。中国工程物理研究院绵阳反应堆原位中子衍射技术为探究新型双相钢强韧化机制提供了技术保障。本研究得到国家自然科学基金和黑龙江省杰出青年科学基金资助。

图一双相钢在时效前(a)与时效后(b)的显微结构表征图。从图中可以看出双相钢主要由马氏体和奥氏体组成,时效处理后由于形成部分逆变奥氏体使奥氏体体积含量略有增加

图二双相钢的(a)显微硬度表征,以及(b-f)双相中纳米相三维原子探针表征结果。从图中可以看出时效处理后在马氏体中析出大量的富铜和NiAl纳米相,时效后马氏体相的硬度大幅提升。时效后在奥氏体中无纳米相析出,奥氏体的硬度也不随时效处理而变化。

图三新型双相钢的(a)工程应力-应变曲线以及(b)其与其它合金性能对比图。时效处理后强度和塑性都大幅提高。

图四双相钢时效强化前(a)原位中子衍射测试晶格应变-应力图和(b)附有加工硬化率的真应力应变曲线

图五 双相钢(a)时效后原位中子衍射表征晶格应变-应力变化图,(b)归一化后衍射强度和(c)半峰宽随着应力变化图,(b)附有加工硬化率的真应力应变曲线以及(e)其拉伸变形后奥氏体的KAM图。从图可以看出,马氏体在材料屈服后首先变形释放塑性,随后双相协同变形并结合奥氏体TRIP效应,形成加工硬化平衡区,进一步提高塑性。

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