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陈乃录-吕坚团队重要突破!破解百年难题,实现最高性价比高强钢

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随着新能源车的快速发展,汽车减重、提高安全性及降低成本都是发展制胜的关键,制造廉价高强塑性钢材就成为重中之重。目前全球汽车行业每年对先进高强钢的需求达到了数千万吨,低成本、高强塑性一直是汽车用钢的发展趋势。然而钢的强度和塑性通常倒置,即强度的提高将导致塑性的下降。过去的研究通常通过增加昂贵的合金元素或采用较复杂的工艺,来兼顾强度和塑性,但这会导致成本的增加。

针对这一问题,上海交通大学陈乃录研究员团队和香港城市大学吕坚院士团队基于他们发现的在形变中位错越过马氏体/奥氏体界面(DAMAI)现象及其通过提高马氏体形变能力的增塑效应,设计了一种廉价的高碳淬火-分配-回火(Q-P-T)钢,与其他高度评价的钢相比,展现出目前最高的性/价比(79.45GPa%kg/$),可应用于汽车、航空航天、建筑结构件等领域;实现了随着碳含量的增加,Q-P-T钢的强度和塑性同时提高,破解了百年来困扰行业的强塑性倒置的难题。成果以“Dislocations across interphase enable plain steel with high strength-ductility”为题发表在国际著名期刊Science Bulletin(影响因子:9.511)。论文第一作者为上海交通大学-香港城市大学联合培养博士生张家志,通讯作者为上海交通大学陈乃录研究员和香港城市大学吕坚院士。更多精彩视频,请抖音搜索“材料科学网”。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321001730

陈乃录-吕坚团队重要突破!破解百年难题,实现最高性价比高强钢

本研究发现了Q-P-T钢在拉伸过程中马氏体中的位错越过马氏体/奥氏体界面(DAMAI)运动到奥氏体的现象及其增塑效应,即DAMAI效应有效地提高了马氏体的形变能力,从而显著地提高了高强度马氏体钢的塑性。DAMAI效应被透射电镜原位动态拉伸观察和分子动力学模拟所证实,并赋予热力学的解释。

在此基础上,本研究提出了基于DAMAI效应的增塑策略,即通过碳从马氏体到残留奥氏体的分配来平衡残留奥氏体含量和其稳定性,由此增强DAMAI效应,并尽可能减少应变诱发脆性的孪晶马氏体。

在该策略的指导下,设计了一种低成本Fe-Mn-Si-Nb的高碳淬火-分配-回火(Q-P-T)钢,与其他高度评价的钢相比,展现出目前最高的性/价比(79.45GPa%kg/$);而且通过碳含量的增加,同时提高了Q-P-T钢的强度和塑性,实现了百年来研究者的追求。该增塑策略将为开发高强塑性马氏体钢提供新路径。

陈乃录-吕坚团队重要突破!破解百年难题,实现最高性价比高强钢

图1. DAMAI 效应透射电镜原位动态拉伸观察和分子动力学模拟,以及Q-P-T钢和其他先进高强钢的比较:(a-d)透射电镜原位动态拉伸观察过程TEM图片;(e-g)DAMAI现象的分子动力学模拟的证明,当应变为0.7%时,BCC相中位错向界面迁移,并越过界面到FCC相中;(h)Q-P-T钢的强塑积和性/价比与其他先进高强钢的比较。更多精彩视频,请抖音搜索“材料科学网”。

通讯作者:

陈乃录研究员,上海交通大学材料科学与工程学院研究员。长期从事大型合金钢件水淬技术和先进高强度钢的研究,已承担近百项科研项目。获省部级科技一等奖三项、二等奖两项,中国专利优秀奖一项;发表论文100余篇;获授权发明专利40余项。曾任中国机械工程学会热处理分会副理事长、淬火冷却技术委员会主任,国际热处理与表面工程联合会(IFHTSE)液体淬火工作委员会委员。

吕坚院士,现任香港城市大学机械工程系讲座教授,先进结构材料研究中心(CASM)主任,国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心 (NPMM)主任,法国国家技术科学院院士。2006 年及 2017 年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”,2018 年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能,实验力学,材料表面工程和仿真模拟,生物与仿生材料力学,航空航天材料与结构预应力工程,3D 打印先进材料与产品集成设计等。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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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