{首页主词},&

三校聯合發表國際塑性頂刊：異步軋制異質結構高錳鋼，實現超高低溫強度、延展性和韌性組合！

2022-06-27 15:41:44 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文通過異步軋制（AR）和退火，設計了異質結構（HGS）高錳鋼，以獲得用于低溫應用的優異機械性能。根據再結晶晶粒的生長速率，通過調整退火溫度可以改變晶粒尺寸層次。與AR-740樣品相比,這是由大量的分數(?72.51%)細粒度(FG)區，AR-630樣品由更大的分數超細晶粒 (UFG)和亞細晶粒(SFG)不僅顯示了明顯的屈服強度(y)和極限抗拉強度(ut)增量?983 MPa,?1330 MPa，在液氮溫度(LNT)下，拉伸延性和沖擊韌性分別提高至~ 64.9%和~ 183J·cm-2。該層級改性對于提高低溫力學性能的實際應用具有重要意義。

目前，一系列高錳孿晶誘發塑性（TWIP）鋼在低溫海洋工程領域，特別是液化天然氣船舶領域備受關注。高錳鋼中變形子結構的突出，如納米孿晶和高密度層錯，有助于將良好的應變硬化能力、優異的極限拉伸強度（UTS）、高延展性和優異的低溫韌性很好地結合在一起。然而，高錳鋼的低屈服強度（YS）（200–300 MPa）和隨溫度降低的潛在韌脆轉變特性嚴重限制了其應用。此外，YS的增加總是導致延性的嚴重損失，這被稱為強度-延性權衡問題。為了消除這種缺點，應重點關注一個問題：當引入額外的強化機制并同時在低溫下獲得高韌性值時，如何克服強度-延性權衡？新的挑戰對低溫應用中廉價合金系統的特殊強度、延展性和韌性組合提出了更高的要求。

最近，人們采用了一種創新的非均勻組織策略來克服強度-塑性困境，即通過大量的塑性變形獲得軟硬混合結構，以顯著改善YS，同時保持塑性。Wu（2015）開發了Ti的非均勻層狀結構，并表現出強烈的應力梯度和高位錯硬化。Cheng（2018）通過直流電沉積方法在純銅中獲得了梯度納米孿晶結構，從而導致超高密度位錯束同時增強了強度和加工硬化。此外，Shao（2018）還通過在TWIP鋼中引入大規模晶粒尺寸梯度，以及后期變形階段產生的幾何必要位錯（GND）提供的額外加工硬化，增強了強度-延性組合。事實上，這種結構特殊的強度-延性協同效應總是源于應變梯度，因為異質域之間的變形不相容，導致強烈的應變分配和背應力硬化效應。在這項工作中，通過嚴重的塑性變形，在高錳鋼中設計了一種異質結構（HGS），其具有從數百納米到數微米的分級粒度分布。然而，這種納米結構在低溫應用中強化金屬存在風險。當低溫下位錯移動受到抑制時，哪種層次結構（晶粒尺寸和空間分布、形狀和形式）能有效維持應變硬化，這是亟待研究的問題。在隨機分散的大晶粒完全嵌入周圍的小硬晶粒的情況下，似乎會產生最大的局部位錯密度梯度。更重要的是，盡管進行了數十年的研究，但關于HGS對韌性，尤其是低溫韌性影響的研究仍然不清楚，其中大多數研究僅將其高韌性歸因于超細晶粒成分。

雖然HGS的晶粒尺寸等級決定了變形過程中的應變梯度和整體應變硬化能力，但不均勻疇的個別變形機制的重要性不容忽視。一方面，高錳鋼中位錯主導機制、層錯、孿晶或相變的活動是否表現出強烈的晶粒尺寸依賴性，這與層錯能（SFE）的影響密切相關，然而，還不清楚SFE、平均晶粒尺寸或其他因素是否主導變形模式。一些研究報告稱，晶粒細化可有效延緩變形孿晶和馬氏體相變的形成，而Li（2018）設計了雙峰晶粒結構，發現在液氮溫度（LNT）下變形時，粗晶粒和超細晶粒均表現出可持續的TWIP效應。預先存在的位錯亞結構會影響變形亞結構的演化。Pan（2021）將層錯的高偏好性歸因于梯度晶胞結構高熵合金中的低位錯晶胞尺寸。此外，由于應變時存在復雜的多軸應力狀態，背應力或應變分配對HGS的變形模式也有很大影響。另一方面，高熵或中熵合金中高密度平面斷層的突出已被證明是在低溫下獲得良好強度-塑性協同效應的最有效途徑。因此，HGS的分級改性應著眼于追求合適的晶粒大小、異質性和分布，以確保低溫變形過程中層錯或納米孿晶的形成。本工作旨在研究晶粒尺寸、SFE、環境溫度和非均勻性對多重變形機制和整體力學性能的耦合效應。

如前所述，在決定HGS在低溫環境中應用的可能性方面，沖擊韌性（而不是強度和拉伸伸長率（PSE）的乘積）起著更為關鍵的作用。目前的研究主要將脆性歸因于低SFE高Mn鋼體系中ε和α′馬氏體的形成，并且已經證明納米孿晶可以導致高電阻的裂紋形核和擴展。Kim等人（2022年）在非均質晶粒納米復合材料中獲得了103.7 J的高夏比沖擊能量，并在低溫下觀察到大量變形孿晶。然而，由于非均勻介質的模擬結果表明，疇的彈性非均勻性對斷裂韌性有著深刻的影響，因此很少有研究關注非均勻性對高應變率變形行為的作用。已經建立了不同層次材料硬度和韌性之間的預測模型，但在納米晶粒尺度上并不完全一致。Zhang（2020）發現，亞微米尺度的分級晶粒結構有利于同時強化和增韌多層鋼，Luo（2021）認為，在非均質Mg納米復合材料中，軟區域主導了增韌機制。簡而言之，對于HGS材料的抗裂機理，尤其是在不同粒度尺度下的抗裂機理，仍然缺乏深入的了解。

在此，上海應用技術大學聯合上海交大、上海大學等研究人員采用非對稱軋制（AR）和再結晶來制備HGS組織并控制晶粒尺寸等級。與傳統軋制方法相比，AR過程中引入的附加剪切應變能夠顯著提高變形程度和細化晶粒結構。建立了低溫力學性能（包括YS、UTS、拉伸延性和沖擊韌性）與包含位錯、層錯和孿晶的變形組織之間的關系。該研究HGS的創新之處在于控制和調整這種異質結構高Mn系統的層次結構，包括平均晶粒尺寸和異質疇的部分，并研究不同層次結構對變形模式、應變分配和整體力學性能（尤其是韌性）的作用。這對類似結構合金的實際應用和生產具有重要意義。YS的差異主要源于晶界強化程度的不同。此外，塑性增強可歸因于變形子結構的不同演化和異質域之間的應變分配。一方面，在AR-630樣品的UFG和SFG區域劃分的局部應力導致在所有晶粒尺度上產生變形孿晶和幾何必要位錯（GNDs），從而在整個變形階段產生可持續的高背應力。相比之下，AR-740樣品的應變硬化主要由具有均勻應變狀態的FG區的位錯和孿晶硬化所控制。更重要的是，這種特殊的低溫韌性可歸因于以下幾個方面：i）由高層錯能（SFE）產生的孿晶誘導塑性（TWIP）效應引起的韌性斷裂模式；ii）更不均勻的應變分配，可以緩解弱FG區的應變集中，還可以在UFG和SFG中誘導更多的納米孿晶，以阻止裂紋擴展。相關研究成果以題“Hierarchy modification induced exceptional cryogenic strength, ductility and toughness combinations in an asymmetrical-rolled heterogeneous-grained high manganese steel”發表在金屬頂刊International Journal of Plasticity上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922000985#fig0015

不同HGS樣品在RT和LNT下的工程拉伸應力-應變和應變硬化率（SHR）曲線如圖1所示。在室溫下，與AR-740試樣相比，AR-630試樣不僅顯示出更高的YS和UTS值，而且顯示出更大的總伸長率（TEL）?50%. 當在LNT處變形時，在AR-630中觀察到YS的增量(?983 MPa）和AR-740(?817 MPa）樣品。同時，與AR-740樣本的TEL略有增加相比，AR-630樣本的TEL從?50.2%（RT）至?64.9%（LNT）。特別是，在AR-630樣品的應力-應變曲線中觀察到意外的頸縮，這表明其具有更好的抗裂紋擴展能力。從SHR曲線可以看出，在RT時兩個樣品的初始屈服階段，SHR值迅速下降，這主要是由于短彈塑性轉變現象，但AR-630樣品的SHR達到了更低的谷值~360 MPa，與AR-740狀態的相比(?2350兆帕）。隨后，兩個樣品的SHR值迅速上升，然后緩慢下降，直至斷裂。然而，在LNT下，兩個樣品的整體SHR曲線在整個低溫變形過程中呈現緩慢增加的趨勢，并且表現出相似的穩定值。與室溫下的拉伸性能相比，LNT下觀察到YS和PSE均顯著增加，這克服了強度-延性權衡。此外，兩種HGS鋼在LNT下也獲得了意外的沖擊韌性值(?183 J?cm?2和?155 J?cm?2）。此外，參考文獻中各種金屬的低溫力學性能比較如圖1c所示，很明顯，AR-630和AR-740在保持優異沖擊韌性的同時，表現出優異的強度-延性組合，尤其是前者。其中，Sohn（2015）發現，添加Al可同時提高高錳鋼的強度和韌性。在LNT下，AR-630 HGS表現出明顯更高的屈服強度(?983 MPa vs?811 MPa）和更好的韌性(?183 J?cm?2對?105 J?cm?2）與典型的鋁添加高錳鋼相比，延展性也相當。此外，與非HGS高錳鋼（AR-900）相比，AR-630 HGS顯示出明顯的YS增強(?267 MPa）和UTS(?158 MPa），且塑性和韌性損失很小。

圖1 (a)不同HGS樣品在RT和LNT下的工程拉伸應力-應變曲線和(b)應變硬化速率曲線，(c)不同低溫材料在LNT下的力學性能比較。

圖2 （a1、a2、a3）AR-630和（b1、b2、b3）AR-740樣品的反極圖、核平均取向差和孿晶邊界圖。

圖3 EDS表征的(a) AR-630和(b) AR-740樣品的統計粒度分布。用≤500 nm、500 nm - 1 μm和≥1 μm的晶粒范圍分別劃分UFG、SFG和FG三個尺度。

圖4 (a, b) AR-630和AR-740樣品的EBSD表征，(c) XRD譜和(d, e)在LNT下斷續拉伸應變為25%時對應的KAM分布。

圖5 （a，b，c）AR-630和（d，e，f）AR-740樣品FG，SFG和UFG區變形亞結構的TEM表征，在LNT下的中斷拉伸應變為25%。相比之下，比較了（g，h，i）AR-740樣品在RT時的中斷拉伸應變為25%。

圖6 (a, b) AR-630和AR-740沖擊試樣在LNT斷口附近的EBSD表征，(c) XRD譜和(d, e)相應的KAM分布。

圖7 LNT斷裂面附近（a、b、c）AR-630和（d、e、f）AR-740沖擊試樣FG、SFG和UFG區變形亞結構的TEM表征。

圖8 （a，b）加載-卸載-再加載應力-應變行為和（c，d）在LNT變形期間AR-630和AR-740樣品中不同應力分量的演變。

圖9 （a，b）不同溫度下退火組織的演變和（c，d）隨退火時間增加的AR樣品的統計晶粒尺寸分布。

圖10 （a）平均晶粒半徑的平方與保溫時間的擬合曲線；（b）統計晶粒尺寸的變化，（c）硬度值的演變，（d）兩種HGS在不同溫度退火期間的晶界強化計算值。

圖11 （a，b）SC圖和（c）AR-630和AR-740 HGS鋼的UFG和SFG（紅色矩形）和FG（黑色矩形）區域的相應統計分布。

圖12 （a）AR-630和（b）AR-740樣品在LNT下的單個強化機制的綜合分布圖和真實應力-應變曲線；（c）單個強化對兩種鋼背應力的貢獻分布圖。

圖13 （a）AR-630和（b）AR-740樣品在LNT下沖擊斷口的SEM形貌。

圖14 LNT下AR-630和AR-740樣品的變形試驗和相關微觀結構演變示意圖。

綜上所述，通過可控的熱機械處理設計了不同晶粒度的非均質組織高錳鋼的低溫力學性能。根據變形子結構的演變，定量估計了不同強化機制的貢獻，揭示了異常強延性組合的成因。以闡述其抗裂機理。通過控制預非對稱冷軋后的再結晶生長過程，可以改變包括平均晶粒尺寸以及UFG區、SFG區和FG區比例在內的晶粒等級。采用擬合精度較高的生長模型估計平均晶粒尺寸。630°C退火后，晶界遷移速度較慢，可保持較好的層次性。相反，在740℃保溫2 h后，異常的晶粒長大會導致HGS的破壞。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。