雙相（DP）鋼作為一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS），因其優(yōu)異的力學(xué)性能及低廉的價格被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。為滿足新能源汽車對車身輕量化日益增長的需求，超高強(qiáng)度 DP 鋼的抗拉強(qiáng)度 (UTS) 已達(dá)到 1470 MPa，與熱成形鋼22MnB5（PHS1500）的抗拉強(qiáng)度接近。目前為止，提高馬氏體體積分?jǐn)?shù)是提升DP鋼強(qiáng)度最有效的方法之一。然而，隨著馬氏體體積分?jǐn)?shù)的增加，DP鋼的抗損傷性能發(fā)生顯著惡化。簡而言之，強(qiáng)度與抗損傷性能不可兼得是目前超高強(qiáng)DP鋼發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。

首先，微觀組織超細(xì)晶化可在較低馬氏體體積分?jǐn)?shù)條件下實現(xiàn)高強(qiáng)度。基于此，廣東省科學(xué)院新材料研究所駱智超副研究員（通訊作者）、華南理工大學(xué)李烈軍教授（通訊作者）和香港大學(xué)黃明欣教授（通訊作者）聯(lián)合研究團(tuán)隊提出一種“中錳DP鋼”策略，將DP鋼的錳含量提高至3.2%，利用錳抑制奧氏體晶粒長大以及降低相變點溫度等作用，制備出晶粒度在1µm以下的超細(xì)晶DP鋼，如圖1所示。拉伸結(jié)果表明，馬氏體體積分?jǐn)?shù)(V_m)為 55 % 的超細(xì)晶 DP 鋼可以達(dá)到1470 MPa 以上的抗拉強(qiáng)度和 9 % 以上的總伸長率。相比于工業(yè)DP鋼以及現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的超高強(qiáng)DP鋼，本研究制備的超高強(qiáng)DP鋼能在同等碳含量和低V_m下展現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度，如圖2所示。同時，該DP1470鋼的斷裂應(yīng)變高達(dá)0.6，顯著高于文獻(xiàn)報導(dǎo)的數(shù)值。

其次，本工作對高V_m下超高強(qiáng)DP鋼的斷裂韌性展開研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超高強(qiáng)度 DP 鋼的斷裂韌性明顯低于拉伸性能接近的全馬氏體鋼，如圖3所示。從斷裂性能數(shù)據(jù)可以看出，V55DP、V75DP和V85DP和全馬氏體V99FM鋼這4組樣品的Jss值（裂紋擴(kuò)展韌性值）分別為28.9、18.3、21.7、和64.4 KJ·m^0.5。從中斷實驗結(jié)果上看，V55DP、V75DP和V85DP樣品的雙相組織中存在許多F(鐵素體)/M(馬氏體)界面脫粘的特征，如圖4所示。然而，在拉伸樣品中，DP鋼確未發(fā)現(xiàn)明顯的F/M界面脫粘特征。因此，裂紋尖端的高應(yīng)力三軸度導(dǎo)致了F/M界面的大范圍脫粘，使得超高強(qiáng)度 DP 鋼的斷裂韌性顯著降低。此外，受到 F/M 界面連續(xù)性的影響，當(dāng)V_m值為75%左右時，DP鋼的斷裂韌性最低。由于超高強(qiáng)度 DP 鋼和馬氏體鋼都可能用于冷成形，而這項研究結(jié)果表明全馬氏體鋼更優(yōu)異的斷裂韌性可能會對全球汽車行業(yè)產(chǎn)生影響。在超高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提升DP鋼的抗損傷性能和斷裂韌性仍是目前急需解決的問題。

相關(guān)工作分別以題為“Towards ultra-high strength dual-phase steel with excellent damage tolerance: The effect of martensite volume fraction”和“The unexpected low fracture toughness of dual-phase steels caused by ferrite/martensite interface decohesion”的文章發(fā)表在《International Journal of Plasticity》和《Scripta Materialia》上，論文的第一作者是華南理工大學(xué)博士研究生劉浪。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103778

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116030

圖1. 不同臨界區(qū)熱處理工藝下實驗鋼的SEM圖: (a) 715℃10分鐘、(b) 735℃10分鐘、(c)755℃10分鐘、(d) 775℃10分鐘、(e) 795℃10分鐘、(f) 815℃10分鐘。

圖2. (a) 拉伸性能隨V_m變化曲線; (b) 不同碳含量下V_m和UTS對比圖。

圖3. 實驗超高強(qiáng)DP鋼的拉伸及斷裂性能: (a) 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線; (b) J-R曲線。

圖4. (a) 取樣部位示意圖; (b) 中斷樣品載荷位移曲線; 中斷樣品裂尖放大SEM圖: (c)V55DP、(d)V75DP、(e)V85DP、(f)V99FM。