上海交大&北科大：巧妙设计异质相结构！大幅提升高强钢的延展性！

2021-02-09 13:22:34 作者：本网整理来源：材料学网分享至：

导读：淬火后的高延展性对于超高强度钢具有明显的优势。本文在快速淬火之前先进行临界退火，以获得由纳米孪晶马氏体和残余奥氏体组成的异相（HP）单元。由于纳米级孪晶马氏体和残留奥氏体，均匀伸长率得到了显著提高，而不会影响最终的拉伸强度。纳米孪晶马氏体和残余奥氏体的形成是由于退火和快速淬火工艺相结合而使合金元素（Mn和Al）发生微偏析而产生。

在不影响延展性的情况下增强金属材料仍然是结构应用材料科学领域的一个重要课题。通过淬火获得的具有板条组织的马氏体钢具有高强度的特征，但是延展性低。引入残余奥氏体被认为是通过使用淬火和分配热处理以提高马氏体钢的延展性的实用方法。

由于转变引起的可塑性，残余奥氏体在提高强度和延展性方面具有显著作用。但是残余奥氏体的低强度和低稳定性限制了其性能。因此，在这些钢中，残留奥氏体的体积分数和稳定性是一种折衷方案。而将奥氏体尺寸减小到纳米级均可提高强度和稳定性。多步配分（MSP）工艺包括临界退火、闪蒸和回火，为通过纳米孪晶马氏体细化残余奥氏体提供了途径

多步配分过程钢的典型显微组织由板条马氏体，残余奥氏体和纳米级孪晶马氏体组成，而高Mn含量的配分钢同时存在残余奥氏体和纳米孪晶马氏体，这与异质结构的特征是一致的。粗晶粒和超细晶粒结构的异构单元使得机械性能优异组合，并且可以成功地应用于多相高强度钢。MSP工艺在调节Mn含量并因此获得异质微观结构方面特别重要。

在此，上海交通大学联合北京科技大学等科研人员设计并加工了具有由HP单元（纳米尺寸的孪晶马氏体和残余奥氏体）和马氏体板条组成的微观结构的异质相（HP），以获得搞强度和高延展性的良好组合。临界退火和快速淬火（长时间闪蒸）被独特地结合在一起，然后进行多步分配（MSP）过程以达到目的。相关研究成果以题“Refined heterogeneous phase unit enhances ductility in quenched ultra-high strength steels”发表在Scripta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113636

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图1列出了钢（Q和MSP-Q）的拉伸性能和应力-应变曲线。Q钢中获得了高极限抗拉强度（？1544 MPa）和低延展性（总伸长率？10.5％，均匀伸长率？5.0％）。MSP-Q钢获得了高极限抗拉强度（？1437 MPa）和高延展性（总伸长率？14.4％，均匀的伸长率？11.2％）。在100 MPa时，MSP-Q钢的极限抗拉强度（UTS）低于Q钢，但均匀伸长率从5％显著提高到了11.2％（图1a）。UTS处的Q钢（1605 MPa）和MSP-Q钢（1644 MPa）的真实应力相似，但MSP-Q钢的相应真实应变显着提高（？100％）（图1b）。因此，MSP淬火工艺成功地提高了淬火钢的延展性，而不会损失强度。

图1。（a）工程拉伸应力-应变曲线，（b）实验钢的真实拉伸应力-应变曲线和加工硬化指数（n）。

图2。（a）通过SEM和（b）TEM观察的普通淬火Q钢的形貌。通过SEM和（df）EBSD观察到的HP结构钢的形貌。（d）（c），（e）位错马氏体和（f）纳米晶粒中标记区域的反极图。

图3。（a）通过TEM观察到的MSP-Q钢的微观结构，（b）HP单元的形态，（c）Q和MSP-Q钢的XRD轮廓，（d）（b）中红色圆圈的选择性区域衍射（SAD），（e）（b）中标记的板条马氏体与HP单元之间的边界形态，（f）（b）中标记区域的暗场图，（g）HP单元中双马氏体的形态，（hj）HRTEM双马氏体。

图4。普通淬火和MSP淬火过程中钢的微观组织演变示意图。

综上所述，本文采用多步分区热处理（临界退火+快速淬火）来设计由HP单元和马氏体板条组成的非均相（HP）结构钢。在HP单元中观察到孪晶马氏体和残余奥氏体，这显著提高了伸长率而没有损失拉伸强度。HP单元中的纳米级相和残余奥氏体的相变诱导塑性效应有助于HP单元的高强度和高延展性，从而导致实验钢具有较高的极限抗拉强度（1466 MPa）和较高的均匀伸长率（11.6％）。

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