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《Scripta Materialia》：新策略！納米粒子增強(qiáng)高性能高彈性模量鋼

2021-06-10 15:03:16 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

鋼是最重要的結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)樗Y源豐富，成本較低，并且具有范圍最廣的強(qiáng)度和延性組合。由于鐵（Fe）的密度與其他輕質(zhì)合金（例如Al、Mg）相比較高，鋼的比強(qiáng)度（YS/ρ和UTS/ρ）通常處于劣勢(shì)，而剛度是相似的。通過(guò)先進(jìn)的合金化和微結(jié)構(gòu)工程，鋼的特殊強(qiáng)度可以顯著提高，達(dá)到或超過(guò)先進(jìn)輕合金的水平。但是，用于提高比強(qiáng)度的策略對(duì)鋼的楊氏模量（190-210 GPa）沒(méi)有顯著影響，比剛度大約為24-26 GPa·cm3/g，因此，高強(qiáng)度鋼制成薄壁部件時(shí)無(wú)法抵抗較小的變形，例如彎曲撓曲。通過(guò)結(jié)合剛性和輕質(zhì)陶瓷相，可以同時(shí)提高鋼的比強(qiáng)度和比剛度（例如加入二硼化鈦TiB2），但是基于Fe-TiB2復(fù)合材料制備高模量鋼（HMS）存在著增強(qiáng)的機(jī)械性能和主流生產(chǎn)制造之間權(quán)衡的一大難題。

來(lái)自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的研究人員提出了新的概念，使用低體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒（TiB2）生產(chǎn)高性能高模量鋼（HMS），研究納米處理的Fe-Ti-BHMS的微觀結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)HMS力學(xué)性能更高，屈服強(qiáng)度達(dá)510MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)950MPa，同時(shí)保持高楊氏模量、低密度和延展性，滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)條件。相關(guān)論文以題為“Nano particle enabled high performance high modulus steels”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113954

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本文通過(guò)熔融鹽混合物將少量異質(zhì)形核劑TiB2納米顆粒（7.35%-12%）加入到共晶Fe-5.53Ti-2.29B中，此過(guò)程稱(chēng)為納米處理（NT），而后以小于5K/s的冷卻速率緩慢凝固（接近平衡凝固）。冷卻后將鑄錠在1050℃鍛造成矩形棒，后進(jìn)行爐冷以消除殘余應(yīng)力。

圖1 （a）傳統(tǒng)鑄造HMS的SEM圖；（b）NT HMS的SEM圖；（c）NT HMS中Fe2B薄片放大圖；（d）NT HMS的熱加工后Fe2B顆粒圖；（e）Fe2B片層和TiB2之間EBSD圖；（f）熱加工后TiB2和Fe2B形態(tài)變化

圖2 NT HMS和RHMS的HAADF-STEM圖

圖3 過(guò)共晶HMS凝固過(guò)程中的相演變示意圖和計(jì)算的相圖結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)納米處理的合金具有更細(xì)小的TiB2顆粒，還發(fā)現(xiàn)超細(xì)Fe2B薄片出現(xiàn)在鐵基體中，而Fe2B通常被認(rèn)為是有害相，在HMS中由于脆化作用、較低的比剛度和較弱的強(qiáng)化效果而不被看好。因此在最初的試驗(yàn)中通過(guò)添加過(guò)量的Ti抑制Fe2B形成，經(jīng)過(guò)納米處理后發(fā)現(xiàn)有過(guò)量的Ti，F(xiàn)e2B仍存在。經(jīng)過(guò)分析得知，異質(zhì)TiB2納米顆粒會(huì)引起意外的凝固途徑，從而形成異常的相態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)微的TiB2顆粒嵌入納米級(jí)的Fe2Ti，在熔體中，主要的TiB2團(tuán)簇之間留有貧Ti區(qū)域，以允許形成超細(xì)的Fe2B薄片，經(jīng)過(guò)熱加工薄片破碎成納米級(jí)Fe2B顆粒，在HMS中提供良好的強(qiáng)化作用。

圖4 經(jīng)不同處理HMS的性能結(jié)果

本文提出了一種新型納米粒子誘導(dǎo)的HMS結(jié)構(gòu)，使用少量TiB2作為異質(zhì)形核劑，主要是TiB2顆粒與Fe2Ti具有共格界面，其次鐵基體變得貧Ti，促進(jìn)了Fe2B薄片的形成，熱加工后變?yōu)轭w粒，保持了高楊氏模量（251GPa）和比剛度（34 GPa·cm3/g），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高力學(xué)性能。這種方法為生產(chǎn)HMS提供了一種創(chuàng)新途徑，未來(lái)有望應(yīng)用于其他合金系統(tǒng)。（文：破風(fēng)）

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