《MSEA》：纖維異構顯著提升2.1GPa超高強度中錳鋼的斷裂韌性！
2024-06-14 15:37:11
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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為了減少能源消耗和環(huán)境污染，工業(yè)界對金屬材料的機械性能提出了更高的要求，尤其是強度、延展性和斷裂韌性等關鍵指標。傳統(tǒng)金屬材料通常具有均勻的微觀結構，其本征韌性主要與材料的延展性有關。隨著金屬材料強度的提升，其延展性一般會降低，因此，本征韌性也隨之降低。事實上，金屬材料的韌性是由本征和外部增韌共同決定的。外部增韌的典型表現(xiàn)形式為裂紋的偏轉、橋接、分叉和分層增韌等。啟動分層增韌需要兩個必要條件：在微觀結構上，需要有“相對較弱界面”以協(xié)助開裂；在能量上，需要有超過“弱界面”臨界斷裂應力的“高應力”來拉開“弱界面”。因此，基于增韌機制，通過微觀結構設計來開發(fā)強度、延展性和斷裂韌性兼具的金屬結構材料。近期，四川大學黃崇湘教授團隊和鋼鐵研究總院曹文全團隊通過向馬氏體基體引入纖維狀鐵素體，激活了分層增韌，制備出一種超高強高韌（屈服強度1560 MPa、抗拉強度、2103MPa、均勻延伸率7.3%、斷裂延伸率10.7%、斷裂韌性105 MPa m1/2）的雙相結構中錳鋼。通過單軸拉伸和斷裂韌性測試及裂紋擴展的表征，發(fā)現(xiàn)鐵素體/馬氏體界面提供了分層增韌所需的“相對較弱界面”，高屈服強度提供了超過“弱界面”臨界斷裂應力所需的“高應力”，成功啟動了分層增韌機制，引發(fā)主裂紋在擴展過程中發(fā)生偏轉、橋接和分叉，極大地提高了材料的斷裂韌性。這項研究突出了纖維狀鐵素體的作用，為進一步設計強韌性兼具的結構材料提供了范例。相關成果以“High fracture toughness of an ultra-strong medium Mn steel with fibrous ferrite in a martensitic matrix”為題發(fā)表于期刊Materials Science & Engineering A上。論文第一作者為四川大學博士研究生張超，通訊作者為鋼鐵研究總院曹文全教授和四川大學黃崇湘教授。https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146606
圖 1. 所研究鋼材的微觀結構。（a）縱向顯微組織的光學圖像。（b）縱向顯微組織的放大圖，鐵素體和馬氏體分別被標記為“F”和“M”。（c）橫截面顯微組織的光學圖像。（d）馬氏體和鐵素體的 EBSD 圖像。（e）特征區(qū)域的放大圖，其中紅色實線表示高角度晶界，綠色實線表示低角度晶界。（f）和（g）分別為鐵素體和馬氏體在相同外加載荷下的顯微硬度壓痕。
圖 2. 所研究鋼材的拉伸和斷裂性能測試。（a）拉伸工程應力-應變曲線和相應的真實應力-應變曲線（插圖）。（b）在室溫（RT）條件下由緊湊拉伸（CT）試樣測得的J積分阻力曲線（J-R曲線）。
圖 3. 沿軋制方向樣品的裂紋擴展。（a）未斷裂試樣宏觀斷裂側面的掃描電鏡顯微照片，顯示主裂紋的擴展。（b-e）特征區(qū)域（（a）中白色虛線框）的相應放大圖。（f）斷裂試樣側面的光學圖像，顯示主裂紋呈鋸齒狀擴展。（g）特征區(qū)域的放大圖。
圖 4. 垂直于軋制方向試樣的裂紋擴展。（a）未斷裂試樣宏觀斷裂側面的掃描電鏡顯微照片，顯示了主裂紋的擴展。（b-d）特征區(qū)域的相應放大圖。
圖 6. 所研究鋼材與其它高強度鋼的力學性能對比圖。（a）斷裂韌性與屈服強度對比圖。（b）斷裂韌性與抗拉強度對比圖。高強度鋼包括雙相鋼、馬氏體時效鋼、馬氏體鋼、高碳鋼、TRIP 鋼、高強度低合金鋼、奧氏體不銹鋼、低碳貝氏體鋼、納米貝氏體鋼和高錳鋼。本研究分別對沿軋制方向和其垂直方向的緊湊拉伸（CT）試樣（主裂紋擴展方向垂直/平行于纖維狀鐵素體長度方向）進行了斷裂韌性測試。結果表明，沿軋制方向試樣由于鐵素體/馬氏體界面分層，導致了主裂紋的偏轉、橋接和分叉。同時，根據(jù)斷裂能量準則（the energy criterion for fracture），在主裂紋偏轉的同時，裂紋尖端之前的塑性區(qū)域也會相應擴大。通過與其它高強度鋼材的機械性能進行對比，發(fā)現(xiàn)沿軋制方向試樣在本征和外部增韌共同作用下，具有非常高的斷裂韌性（105 MPa m1/2），打破了傳統(tǒng)認為的提高強度會降低斷裂韌性的常識。而垂直于軋制方向試樣的主裂紋主要沿著鐵素體/馬氏體界面擴展，從外部增韌獲得的韌性提升較低，因而其斷裂韌性（56 MPa m1/2）較低。
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