西安交大《MSEA》：新工藝獲得兼強韌性的層狀結構鋼

具有高強度和良好延展性的材料是人類社會的永恆需求，是節能、輕重量結構和車輛的關鍵。近日，來自西安交通大學柳永寧團隊，採用兩步溫軋退火法製備了一種具有雙峰晶粒尺寸分布的薄層結構低碳鋼板，並研究了其力學性能和強化增韌機理。相關論文以題為「A novel process to obtain lamella structured low-carbon steel with bimodal grain size distribution for potentially improving mechanical property」發表在Materials Science and Engineer：A上。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509320304202

人類對材料的優異性能的追求，自古以來，從未停息。然而，如何生產既有高強度又有良好延展性的金屬和合金是一個挑戰。這是因為一種材料可能或強或韌，但很少同時兼具兩者。晶粒細化是強化金屬和合金最有效的方法之一，而超晶粒金屬(UFG)和納米結構金屬的強度可以比傳統的粗晶粒金屬(CG)強很多倍。但是晶粒細化到1μm以下通常會導致加工硬化或均勻延伸的下降，導致UFG鋼的低拉伸延展性和塑性不穩定性，這嚴重限制了其潛在的應用。

在過去的十年中，為克服鋼的延性限制，人們做了大量的工作，並取得了一系列的進展。例如：鋼中的納米級顆粒強化、梯度納米晶組織強化和馬氏體相強化。此外，設計具有雙峰晶粒分布的鋼和合金是避免強延性平衡的另一種有效方法，它可以在不降低材料強度的情況下提高材料的延性。近年來，也有報導指出，層片狀結構(LS)可以顯著減輕金屬或納米結構材料的延性退化。通過在雙相(鐵素體/馬氏體)和IF鋼中引入層狀組織，可以提高加工硬化能力，從而獲得高強度和良好的延展性。通過設計具有雙峰晶粒度分布的層狀結構純鈦，可顯著提高材料的加工硬化能力，使材料具有與超細晶粒金屬同等的強度和與粗晶粒金屬同等的韌性。

此外，晶粒細化到UFG水平可以降低鋼的韌脆轉變溫度，但也導致了上限衝擊能的降低。通過疊層鋼的設計，可以顯著降低壓差，並獲得良好的上限衝擊能。為進一步提高鋼的韌性，採用變溫法製備了具有伸長鐵素體晶粒組織的鋼。超細拉長的鐵素體晶粒組織，具有強的<110>//RD形變織構，促進了脫層斷裂，使韌度逆溫度依賴。通過強力變形UFGs，具有與層合材料相似的增韌效果。

此文中，研究者提出了兩步溫軋後退火法生產層狀結構雙峰晶粒尺寸分布（LSBG）鋼板。研究了其拉伸韌性和衝擊韌性，並對其增韌機理進行了探討。非均勻層狀結構的特徵是在粗晶層狀基質中嵌入了平均粒徑約為1 μm的超細晶層狀結構中。與相應的粗晶（CG）試樣相比，LSBG鋼的強度和韌性組合均有提高，但與UFG試樣相比，也避免了強度延性的權衡。與初始CG鋼相比，屈服強度和抗拉強度分別提高了87.4%和35%，但延性損失較小，且韌脆轉變溫度顯著降低，從-70℃左右降至- 110℃。強度的提高主要歸功於超細晶粒的強化，而合理的延性可以歸因於雙峰晶粒尺寸和層狀組織，因為它們可以通過幾何必要的位錯在其附近的積累來提高加工硬化率。而LSBG鋼的增韌主要歸功於晶粒細化和層狀組織。

圖1 LSBG鋼的製造過程示意圖。AC：空氣冷卻；RT：室溫。

圖2 LSBG鋼的組織和晶粒分布：(a)、(b)、(c) LSBG鋼的組織；(d)UFG分布;(e)粗粒度分布;(f)符合粒度分布。

圖3 LSBG鋼的EBSD圖像和反極圖形。

圖4 與UFG、CG、WR-700相比LSBG鋼的力學性能和應變硬化。

圖5 CG鋼、LSBG鋼和UFG鋼在不同測試溫度下夏比v形缺口衝擊試驗後斷口形貌的SEM顯微圖。

圖6 TEM圖像顯示LSBG鋼中的位錯堆積。

綜上所述，研究者提出了兩步溫軋後退火生產LSBG鋼的新方法。通過SEM、TEM和EBSD分析了LSBG鋼的顯微組織，並與UFG和CG鋼進行了拉伸性能和衝擊性能的對比研究。主要結論如下：

1. LSBG鋼的非均質層狀結構的特徵是在粗晶層狀基體中嵌入了平均晶粒尺寸約為1.1 μm的超細晶粒層狀結構(平均晶粒尺寸約為5.6 μm)。

2. 與相應的CG鋼相比，LSBG鋼的強度和韌性組合均有所提高，但與UFG鋼相比，避免了強度延性的折衷。

3. 與同等CG試樣相比，LSBG鋼具有更高的上限衝擊能和更低的韌脆轉變溫度(DBTT)。（文：水生）

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