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金属顶刊:一箭四雕!高强、高塑、高硬化率、低密度钢材

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人们对高强度和低密度钢的需求不断增长,本文开发了一种在强度和延展性良好的基础上加工硬化率较高的轻质钢,具有独特微观组织,最终显示出超高屈服强度(1.6GPa)和良好的延展性(总延伸率20%)的优良组合,这种钢更加符合节能环保的理念,有望进一步扩展钢材的应用范围。

现阶段人们对高强度和低密度钢的需求不断增长,这种钢可以用作轻型建筑中(特别是在运输系统中)的节能环保型结构材料。众所周知,在钢中添加Al会降低其密度,因此,Fe-Mn-Al-C钢由于其具有较高的机械性能以及较低的密度而受到广泛的关注。在不同类型的轻质钢中,主要区别是组成相(即铁素体,奥氏体或双相钢)的不同。在奥氏体晶粒内由纳米级κ-碳化物颗粒强化的奥氏体轻质钢,具有较高的比强度和良好的延展性。奥氏体-铁素体双相轻质钢也显示出屈服强度和延展性的良好组合,但其屈服强度低于奥氏体钢。这些钢(特别是κ硬质合金强化的奥氏体钢)通常表现出较低的加工硬化率,所以需要开发出一种在强度和延展性良好的基础上加工硬化率较高的轻质钢。

韩国浦项科技大学的一项研究新设计了Fe-21Mn-10Al-1C-5Ni(wt%)轻质钢在两种退火条件下(诱导部分再结晶和完全再结晶)以及时效处理后的组织演变和拉伸性能。相关论文于以题为“Improvement of strength – ductility balance of B2-strengthened lightweight steel”近日发表在金属领域顶级期刊Acta Materialia。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.022

在退火状态下,钢的显微组织由沿着奥氏体晶界的多边形B2颗粒、未再结晶奥氏体晶粒内的板状B2颗粒组成,并没有形成B2带状组织。通过适当控制奥氏体稳定元素(Mn和C)的含量可以调控微观结构。在退火过程中会形成B2颗粒(尺寸小于500 nm),而不是B2带,它们表现为再结晶奥氏体晶界处的多边形颗粒或未再结晶奥氏体中的板状颗粒。随后在550℃进行10分钟的时效处理对退火后的微观结构几乎没有影响,只是分别促进了纳米尺寸κ-碳化物和D03粒子在奥氏体晶粒和B2粒子中的析出,颗粒尺寸增加至4 nm左右。

本文开发出的轻质钢具有独特微观组织,由含有纳米级κ-碳化物的再结晶奥氏体,含有B2粒子和纳米级κ碳化物的未再结晶奥氏体,以及含有纳米级D03颗粒的晶界B2粒子组成。该轻质钢具有的优异强度,退火条件下的屈服强度为1.2-1.4GPa,总伸长率为24-35%。时效处理可进一步提高退火试样的强度(提升约154-183MPa),而不会显着降低延展性(下降约4-5%)。

图1 退火后试样的显微组织

图2 退火状态下的奥氏体和B2的区域轴SADP和区域轴HRTEM图像

图3 时效后的显微组织与对应取向关系

图4奥氏体与B2经不同应变后的变形微观组织

图5 不同钢之间的性能比较

图6 不同钢之间的加工硬化率比较

总的来说,本研究的钢最终显示出超高屈服强度(1.6GPa)和良好的延展性(总延伸率20%)的优良组合,超过了其他B2和κ-碳化物强化的轻质钢。显微硬度测试结果表明,由于时效而增加的强度是由于奥氏体和B2中κ-碳化物和D03纳米颗粒的析出增加所致。另外,在如此超高强度水平下,本发明钢的良好延展性主要与抑制不良的微结构特征的形成有关,例如在其他轻质钢中观察到的粗大的B2带以及粗大的相间/晶间B2和κ-碳化物颗粒,导致时效后延展性较差。本文开发的轻质钢更加符合节能环保的理念,有望进一步扩展钢材的应用范围。(文:破风)

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