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港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

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过去20年,大家都认为形变孪晶是TWIP(孪晶诱导塑性)钢具备好性能的最重要原因,但港大黄明欣团队实验发现孪晶对其性能并不重要,相当于重新定义了TWIP钢,或将引起讨论TWIP钢将来是否需要改名?

孪生诱发塑性钢(TWIP)钢是全奥氏体高锰钢,具备优异的强塑性,是钢铁材料研究的热点之一。过去20多年,传统观点一直认为TWIP钢之所以具备优异的强塑性,主要是由形变孪晶所引起。

港大黄明欣教授团队的研究结果挑战传统观点,发现孪晶在TWIP中的作用非常有限,间隙碳原子导致高位错密度才是TWIP钢具备优秀强塑性的最关键因素。相关论文以题为“Therole of interstitial carbon atoms on the strain-hardening rate of twinning-induced plasticity steels”发表在Scripta Materialia上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.11.047

港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

早在2016年,港大黄明欣教授团队基于位错密度的测量技术,定量分析TWIP钢的强化机制,认为TWIP钢加工硬化的90%是有林位错强化贡献,孪晶本身对应力的影响不显著[1]。

在2018年,以Fe-18Mn-0.75C-1.7Al-0.5Si(wt.%)为研究对象,在室温到300℃上进行拉伸试样,采用Inlens模式统计孪晶分数,结合同步辐射定量分析位错密度。图1是该TWIP钢在不同温度下的拉伸性能和加工硬化曲线,在200℃条件下,发现TWIP钢的延伸率最大,同时加工硬化率还很高,但形变产生孪晶的体积分数很小,而位错密度却相当高。由此可见,孪晶并不是TWIP钢高位错密度和高加工硬化的必要条件[2]。

港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

图1.TWIP钢在不同温度下的(a)拉伸性能,(b)加工硬化曲线,(c)孪晶体积分数和(d)位错密度[2]

为进一步确定TWIP钢的加工硬化机制,本次研究对比Fe-30Mn-3Al-3Si和Fe-30Mn-0.6C(wt%)两种TWIP钢的力学性能及其微观组织演化。实验发现,两种TWIP钢的加工硬化性能差别很大(如图2所示),但两者在拉伸过程中均产生大量的形变孪晶(图3c),经同等量的塑性变形后,Fe30Mn0.6C的位错密度显著高于Fe30Mn3Al3Si(图4e)。

港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

图2 两种TWP钢的拉伸和加工硬化性能[3]

港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

图3 两种TWIP钢拉伸过程中的孪晶演化[3]

港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

图4 两种TWIP钢拉伸变形后的位错及位错密度[3]

通过对比发现TWIP钢的加工硬化性能与层错能并不直接相关,碳含量是决定TWIP钢加工硬化性能的关键,不含碳的TWIP的加工硬化性能与316不锈钢十分接近。进一步分析表明,间隙碳原子影响TWIP钢的位错密度演化,进而影响了加工硬化。换句话说,在TWIP钢中,间隙固溶碳原子才是TWIP钢高位错密度和高加工硬化率的关键原因(Luoand Huang 2020),不含碳的TWIP钢就跟316L不锈钢一样(图5)。

港大黄明欣团队:重新认识TWIP钢,位错远比孪晶重要!

图5 不含碳的TWP钢对比316L不锈钢[3]

鸣谢:感谢黄明欣教授团队对本文的帮助。参考文献:

[1]Liang, Z. Y., Y. Z. Li and M. X. Huang(2016). “The respective hardening contributions of dislocations and twinsto the flow stress of a twinning-induced plasticity steel.” ScriptaMaterialia 112: 28-31.

[2]Luo, Z. C. and M. X. Huang (2018).”Revisit the role of deformation twins on the work-hardening behaviour oftwinning-induced plasticity steels.” Scripta Materialia 142: 28-31.

[3]Luo, Z. C. and M. X. Huang (2020). “The role of interstitialcarbon atoms on the strain-hardening rate of twinning-induced plasticitysteels.” Scripta Materialia 178:264-268.

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

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