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南京理工:强度大于2GPa!创纪录的低碳低成本纳米钢

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导读:本研究通过热轧使异质结构与可控的溶质扩散和偏析相结合,提供了一种以前尚未探索的策略,生产出具有创纪录的17.8nm的层状间距的块状纳米钢,具有2.05GPa的屈服强度和2.15GPa的极限强度。且工艺具有很好的工业化潜力。

钢是进入工业时代以来应用最广泛的结构材料。超强性能与低成本是大规模工业应用的两大挑战。已经开发出多种方法来增强钢材的性能,其中增加碳含量是最有效和最经济的方法。然而增加碳含量可能会导致一些负面作用,例如降低焊接性及加工性能。因此工程师和科学家们探索了替代方法。最近,大塑性变形(SPD)技术已被开发,以产生超强的纳米结构材料。SPD技术通常应用非常大的应变,促使金属的晶粒尺寸下降到超细晶(100-1000nm)甚至纳米晶(<100nm)。但是,SPD技术生产超高强度材料成本较高,严重阻碍SPD在工业生产中的应用。

 

南京理工大学等单位的研究人员在最新研究中,利用微观结构的异质性和间隙原子来追求低碳钢的极端结构细化。通过在300℃进行简单的热轧,生产了具有创纪录的纳米层状间距约17.8nm的块状超强(强度> 2GPa)低碳钢,使SPD在钢厂现有设备的情况下具有应用的可能。相关论文于以题为“Ultrastrong low-carbon nanosteel produced by heterostructure and interstitial mediated warm rolling”发表在Science Advances。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eaba8169

本研究使用的低碳钢成分为:Fe-0.19C-1.01Mn-1.46Si。双相钢的加工可分为三个连续步骤:首先是950℃×60min后水淬使钢中形成高密度的板条马氏体;然后进行820℃×10min的临界退火,淬火后得到超细纤维状铁素体-马氏体双相纤维的超微结构;最后通过一定温度下轧制进一步改善材料的显微组织,试验时选取温度从室温-350℃不等进行对比分析,在设定温度下预热20min,轧制前厚度为8mm,单次轧制厚度减少0.5mm。

 

研究发现室温冷轧条件下,厚度减少30%、60%和90%时,屈服强度分别为1.01、1.25和1.58GPa,在300℃进行热轧减少相同厚度时屈服强度更高,分别为1.49、1.73和2.05GPa。这是由于在300℃的热轧温度下马氏体片的机械相容性增强和可塑性提高所致。热轧后马氏体和铁素体的共晶形成得到增强,降低了马氏体和铁素体片层之间的机械不相容性。

 

南京理工:强度大于2GPa!创纪录的低碳低成本纳米钢

图1 扫描电子显微镜图像和典型钢材样品的力学性能

南京理工:强度大于2GPa!创纪录的低碳低成本纳米钢

图2 显微组织的TEM表征(冷轧-CR;热轧-WR)

 

南京理工:强度大于2GPa!创纪录的低碳低成本纳米钢

图3 冷轧和热轧样品的APT分析

 

间隙碳原子也可以动态地阻碍位错运动和钉扎位错,碳原子向铁素体的扩散实质上有助于极度的晶粒细化和铁素体相中位错含量的增加。超高强度的关键因素包括层状间距对软铁素体进行霍尔-佩奇强化,提高晶内位错密度产生位错强化以及额外的从马氏体区扩散的碳溶质产生固溶强化。

 

南京理工:强度大于2GPa!创纪录的低碳低成本纳米钢

图4 在300℃下显微组织稳定性的原位TEM观察

 

南京理工:强度大于2GPa!创纪录的低碳低成本纳米钢

图5 各加工方法机械性能对比

 

总的来说,本文证实了可以通过标准工业工艺有效地探索含间隙的异质结构,以加工稳定的纳米层状结构。本文为大规模工业制造中生产强度高而成本低的钢提供了一种以前未探索过,可行且经济的方法。(文:破风)

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