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重要突破!​清华大学利用新方法获得2GPa的低成本超高强钢!

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本研究通过化学界面工程获得了具有独特显微组织的超高强度钢,抗拉强度2041MPa以上时,依然保持着20.1%的延伸率。而且所用合金成分简单,不需要高含碳量或者贵重元素,开辟了替代晶界工程的新方法。

采用高强度、高延展性的钢材是改善运输装备轻量化和安全性的重要方式,这种钢材每年产量可达18亿吨。为了获得高强度钢,特别是抗拉强度超过2.0 GPa的钢,经常需要较高的含碳量或加入昂贵的合金元素(钴、镍、铬等)。金属晶体中不连续的晶界(GBs)和相界(PBs)对调节多晶材料的机械性能非常有效。晶界工程(GBE)已被广泛用于制造高级工程材料,但是热力加载条件下晶界的热稳定性将导致晶粒粗化等现象,从而限制性能的进一步提升。

最近,清华大学陈浩等人利用一种尚未深入研究的平面缺陷,即化学界面(Chemical Boundary,CBs),获得了由纳米板条马氏体和纳米孪晶奥氏体组成的新型分层异质组织结构,制备的低碳中锰钢抗拉强度超过2.0 GPa,并具有高延展性(>20%),同时不需要添加高含碳量或加入昂贵的合金元素。相关论文以题为“Chemical boundary engineering: A new route toward lean, ultrastrongyet ductile steels”于3月27日发表在Science Advances。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay1430

 

研究人员选用的钢成分十分简单,为低碳中锰钢0.18C-7.98Mn-0.013Si(wt.%),热轧后冷轧,再进行奥氏体回复处理(ART)。此时合金组织是等轴铁素体和亚稳态奥氏体组成的双相组织,抗拉强度为1060MPa,总伸长率为30.5%。为了将奥氏体/铁素体相界处的尖锐Mn不连续性转化为化学界面,需要将经过ART处理的钢快速加热(>100℃/s)到单相奥氏体区域(800℃),然后立即淬火至室温,形成了高密度的非平衡化学界面,最终形成超细马氏体+奥氏体组织。

化学界面是指锐利的化学成分差异,本文所描述的化学界面工程(Chemical Boundary Engineering,CBE)方法使得每个奥氏体晶粒可以通过化学界面进一步细分为亚微米区域,它们在淬火过程中的作用与晶界相同,从而对板条马氏体的生长形成强大的阻碍。这些化学界面不能在室温下留存,研究人员是通过其对冷却过程中马氏体形成的影响来证明的。利用化学界面工程获得的钢中马氏体板条的平均长度为130nm,比传统晶界工程获得的短10倍。

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图1 相界面PB、晶界GB和化学界面CB的示意图

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图2 通过CBE加工的钢的显微组织演变

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图3 化学界面工程制备的钢的EBSD与TEM分析

通过化学界面工程处理,低碳中锰钢获得了独特的显微组织,与传统ART处理的钢相比,材料的屈服强度和抗拉强度显著提高,而伸长率几乎没有损失。中锰钢强度达到2041MPa以上时,依然保持着20.1%的延伸率。强度的提升一方面是因超细组织能够阻碍晶粒间的位错滑移;另一方面是化学界面工程处理后钢的屈服行为类似于网状结构的复合材料屈服,由马氏体框架引起的微机械行为导致强度的增加。伸长率几乎没有损失是因为化学界面工程能够增强相变诱导可塑性(TRIP)效应。通过操控化学界面工程中化学界面的数量可以调控合金的力学性能。

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图4 钢的力学性能

这种马氏体框架与前段时间哈尔滨工程大学张中武教授团队的研究成果颇有神似之处,张教授团队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。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。同时成倍提高强度和塑性!哈工程发明一种新型钢铁材料(←点击了解详情)

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图5 化学界面工程钢变形过程中微观结构变化

总的来说,本研究通过化学界面工程方法获得了具有独特组织的超高强度钢,所用合金成分简单,不需要高含碳量或者贵重元素,开辟了替代晶界工程的新方法。化学界面工程原则上可以拓展到其他合金体系中,也可能用作一种表面处理工艺。(文:破风)

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