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创纪录!打破 低碳钢 晶粒细化和强度极限

导读:超强材料可以显著减轻车辆重量,从而提高其能源效率。迄今为止,通过剧烈的塑性变形来细化晶粒是生产块状强纳米结构金属的最有效方法,但将其用于工业生产一直是一个挑战。本文报道了一种通过异质结构和间隙介导热轧加工而成的超强(2.15 GPa)低碳纳米双相钢,获得了晶粒尺寸达到〜17.8 nm的超级纳米化结构组织,该结果创造了块状低碳低合金钢纳米结构化和强度的记录。


自工业时代开始以来,钢是使用最广泛的结构材料。目前已经开发出许多方法来使钢坚固,其中迄今为止,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不期望的副作用,例如焊接性及加工性降低。


近年来,强塑性变形(SPD)技术已被开发产生超强的纳米结构材料。SPD技术通常应用非常大的应变,以提炼金属的晶粒尺寸下降到超细晶制度(1000至100nm)或甚至纳米晶(<100nm)。使用SPD技术生产超高强度材料的主要问题包括扩大规模和工业规模生产的成本。尽管如此,从SPD领域获得的知识仍可为优化钢的微观结构和力学性能提供指导。


形变引起的结构细化受位错、动态恢复、再结晶和晶界(GB)迁移之间的竞争支配。如果在变形过程中增加了位错或抑制了动态恢复和再结晶,则结构的改进也得到了增强。位错的产生受材料的外部变形模式和内部微观结构的影响。已知微观结构的异质性会在塑性变形期间提高几何必要位错(GND)和统计存储位错的密度。动态恢复和再结晶消除了位错,从而阻碍了结构的细化。降低加工温度或材料中有沉淀物会减慢动态恢复和再结晶的动力学,但会降低可变形性。另外,间隙原子对位错和界面的钉扎效应有助于实现纳米结构。在适中的温度下,间隙原子具有足够的移动性,可以在位错处动态分离。结果位错和位错消失的迁移率降低,这可导致公知的动态应变时效现象。由于溶质原子起到固定位错的作用,因此将有助于位错存储,从而促进微结构的细化。


基于此,纳米异构材料中心朱运田教授团队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°C进行简单的工业热轧,生产了具有纳米薄片且具有平均厚度〜17.8 nm的创纪录块状超强(> 2 GPa)低碳钢。实验还显示出意想不到的观察结果,即在精心设计的初始微观结构的背景下,热轧比冷轧可产生更精细的微观结构,这揭示了通过塑性变形细化异质结构的相容共同变形原理,这在以前从未报道过。此外,该策略应适用于大多数低碳和低合金钢,并且可以在任何钢厂中实施而无需修改现有设施。相关研究而结果以题“Ultrastrong low-carbon nanosteel produced by heterostructure and interstitial mediated warm rolling于北京时间2020年9月24日发表在国际顶级期刊Science Advances上。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eaba8169

将钢样品在室温下冷轧30%,60%和90%,分别导致屈服强度为1.01、1.25和1.58 GPa(图1A)。出乎意料的是,相同样品在300°C进行热轧以减少相同的厚度会分别产生更高的屈服强度,分别为1.49、1.73和2.05 GPa(图1B)。这些结果与我们的传统知识和直觉相矛盾,因为较低的温度会阻碍位错恢复和动态再结晶,因此冷轧应产生更高的强度。

图1 典型钢样品的扫描电子显微镜显微照片和力学性能(A和B)与初始纤维双相(DP)样品相比,冷轧和热轧钢样品的工程应力-应变曲线。(A1),(A2)和(A3)是扫描电子显微镜(SEM)显微照片,显示了冷轧压下率分别为30%,60%和90%的样品的显微组织。(B1),(B2)和(B3)是SEM显微照片,SEM显微照片显示了热轧压下率分别为30%,60%和90%的样品的显微组织。(C)SEM显微照片显示了纤维DP的微结构。


图2 显微组织的TEM表征。A)和(B)是明场TEM图像,分别显示了冷轧(CR)和热轧(WR)钢样品的显微组织。(C)轧制钢样品中的晶粒尺寸分布。(D)显示典型纳米薄片中细节的高分辨率TEM图像。(E)和(F)是通过快速傅立叶变换在(D)中标记为E和F的选定区域中获得的衍射图。(G)高分辨率TEM图像显示了纳米薄片中存储的高位错密度。


这是由两种未报道的机制实现的:(i)通过调节热轧温度来改善双相异质结构的变形相容性;(ii)将碳原子隔离到层状边界以稳定纳米薄层。温轧生产的薄层比冷轧生产的更细,这证明了调整含间隙异质结构的变形相容性对纳米晶化的潜力和重要性。这种以前未报道的方法适用于大多数低碳、低合金钢,用于工业化规模生产超高强度材料。

图3 冷轧和热轧样品的APT分析。AB)90%热轧样品中C,Si,Mn和Fe的三维(3D)原子图。(C)沿(A)中绘制的黑线测量的C,Si和Mn原子的浓度。(D)以(C)为基准,C原子的浓度为0至100nm。(EF)冷轧样品中C,Si,Mn和Fe的3D原子映射。(G)沿(E)中绘制的黑线测量的C,Si和Mn原子的浓度。(H)选定的C浓度分布在30至130 nm范围内,


图4 在300°C下的显微组织稳定性的原位TEM观察。A)至(E)是当样品在300℃下分别保持0、30、60、90和120min时在相同位置拍摄的TEM图像。(F)相对于退火时间的编号薄片的厚度的变化。


值得注意的是,热轧至厚度减少90%可使钢样品达到2.15 GPa的极限抗拉强度,这是低碳和低合金钢的创纪录强度(图5A)。图5B是对热轧钢样品强度与含碳量不同的钢的强度之间的比较,突出显示了与添加碳的方法相比,极端组织细化的强化效率。因此,从制造的角度来看,异质结构双相钢的热轧是在大规模工业制造中生产强而低成本的钢的一种以前未曾探索过,可行且经济的方法。


图5 优越的机械性能。A)与其他加工方法相比,通过热轧进行强化的效率高。(B)极端结构改进对碳钢强度的贡献的亮点。


综上所述,本文通过异质结构介导的热轧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,用于生产具有创纪录的17.8 nm层状间距的块状纳米钢,这是迄今为止在单相马氏体或铁素体中从未观察到的。在低碳钢类别中,纳米钢具有2.05 GPa的创纪录高屈服强度和2.15 GPa的极限强度。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。

文章来源:材料学网   材料学网                                                                  

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