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上海交大&北科大：巧妙設計異質相結構！大幅提升高強鋼的延展性！

2021-02-09 13:22:34 作者：本網整理來源：材料學網分享至：

導讀：淬火后的高延展性對于超高強度鋼具有明顯的優勢。本文在快速淬火之前先進行臨界退火，以獲得由納米孿晶馬氏體和殘余奧氏體組成的異相（HP）單元。由于納米級孿晶馬氏體和殘留奧氏體，均勻伸長率得到了顯著提高，而不會影響最終的拉伸強度。納米孿晶馬氏體和殘余奧氏體的形成是由于退火和快速淬火工藝相結合而使合金元素（Mn和Al）發生微偏析而產生。

在不影響延展性的情況下增強金屬材料仍然是結構應用材料科學領域的一個重要課題。通過淬火獲得的具有板條組織的馬氏體鋼具有高強度的特征，但是延展性低。引入殘余奧氏體被認為是通過使用淬火和分配熱處理以提高馬氏體鋼的延展性的實用方法。

由于轉變引起的可塑性，殘余奧氏體在提高強度和延展性方面具有顯著作用。但是殘余奧氏體的低強度和低穩定性限制了其性能。因此，在這些鋼中，殘留奧氏體的體積分數和穩定性是一種折衷方案。而將奧氏體尺寸減小到納米級均可提高強度和穩定性。多步配分（MSP）工藝包括臨界退火、閃蒸和回火，為通過納米孿晶馬氏體細化殘余奧氏體提供了途徑

多步配分過程鋼的典型顯微組織由板條馬氏體，殘余奧氏體和納米級孿晶馬氏體組成，而高Mn含量的配分鋼同時存在殘余奧氏體和納米孿晶馬氏體，這與異質結構的特征是一致的。粗晶粒和超細晶粒結構的異構單元使得機械性能優異組合，并且可以成功地應用于多相高強度鋼。MSP工藝在調節Mn含量并因此獲得異質微觀結構方面特別重要。

在此，上海交通大學聯合北京科技大學等科研人員設計并加工了具有由HP單元（納米尺寸的孿晶馬氏體和殘余奧氏體）和馬氏體板條組成的微觀結構的異質相（HP），以獲得搞強度和高延展性的良好組合。臨界退火和快速淬火（長時間閃蒸）被獨特地結合在一起，然后進行多步分配（MSP）過程以達到目的。相關研究成果以題“Refined heterogeneous phase unit enhances ductility in quenched ultra-high strength steels”發表在Scripta Materialia上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113636

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圖1列出了鋼（Q和MSP-Q）的拉伸性能和應力-應變曲線。Q鋼中獲得了高極限抗拉強度（？1544 MPa）和低延展性（總伸長率？10.5％，均勻伸長率？5.0％）。MSP-Q鋼獲得了高極限抗拉強度（？1437 MPa）和高延展性（總伸長率？14.4％，均勻的伸長率？11.2％）。在100 MPa時，MSP-Q鋼的極限抗拉強度（UTS）低于Q鋼，但均勻伸長率從5％顯著提高到了11.2％（圖1a）。UTS處的Q鋼（1605 MPa）和MSP-Q鋼（1644 MPa）的真實應力相似，但MSP-Q鋼的相應真實應變顯著提高（？100％）（圖1b）。因此，MSP淬火工藝成功地提高了淬火鋼的延展性，而不會損失強度。

圖1。（a）工程拉伸應力-應變曲線，（b）實驗鋼的真實拉伸應力-應變曲線和加工硬化指數（n）。

圖2。（a）通過SEM和（b）TEM觀察的普通淬火Q鋼的形貌。通過SEM和（df）EBSD觀察到的HP結構鋼的形貌。（d）（c），（e）位錯馬氏體和（f）納米晶粒中標記區域的反極圖。

圖3。（a）通過TEM觀察到的MSP-Q鋼的微觀結構，（b）HP單元的形態，（c）Q和MSP-Q鋼的XRD輪廓，（d）（b）中紅色圓圈的選擇性區域衍射（SAD），（e）（b）中標記的板條馬氏體與HP單元之間的邊界形態，（f）（b）中標記區域的暗場圖，（g）HP單元中雙馬氏體的形態，（hj）HRTEM雙馬氏體。

圖4。普通淬火和MSP淬火過程中鋼的微觀組織演變示意圖。

綜上所述，本文采用多步分區熱處理（臨界退火+快速淬火）來設計由HP單元和馬氏體板條組成的非均相（HP）結構鋼。在HP單元中觀察到孿晶馬氏體和殘余奧氏體，這顯著提高了伸長率而沒有損失拉伸強度。HP單元中的納米級相和殘余奧氏體的相變誘導塑性效應有助于HP單元的高強度和高延展性，從而導致實驗鋼具有較高的極限抗拉強度（1466 MPa）和較高的均勻伸長率（11.6％）。

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