《Scripta Materialia》：新策略！纳米粒子增强高性能高弹性模量钢
2021-06-10 15:03:16
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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钢是最重要的结构材料，因为它资源丰富，成本较低，并且具有范围最广的强度和延性组合。由于铁（Fe）的密度与其他轻质合金（例如Al、Mg）相比较高，钢的比强度（YS/ρ和UTS/ρ）通常处于劣势，而刚度是相似的。通过先进的合金化和微结构工程，钢的特殊强度可以显着提高，达到或超过先进轻合金的水平。但是，用于提高比强度的策略对钢的杨氏模量（190-210 GPa）没有显著影响，比刚度大约为24-26 GPa·cm3/g，因此，高强度钢制成薄壁部件时无法抵抗较小的变形，例如弯曲挠曲。通过结合刚性和轻质陶瓷相，可以同时提高钢的比强度和比刚度（例如加入二硼化钛TiB2），但是基于Fe-TiB2复合材料制备高模量钢（HMS）存在着增强的机械性能和主流生产制造之间权衡的一大难题。
来自美国加利福尼亚大学、北京科技大学等单位的研究人员提出了新的概念，使用低体积分数的纳米颗粒（TiB2）生产高性能高模量钢（HMS），研究纳米处理的Fe-Ti-BHMS的微观结构，相较于传统HMS力学性能更高，屈服强度达510MPa，抗拉强度达950MPa，同时保持高杨氏模量、低密度和延展性，满足大规模生产条件。相关论文以题为“Nano particle enabled high performance high modulus steels”发表在Scripta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113954
本文通过熔融盐混合物将少量异质形核剂TiB2纳米颗粒（7.35%-12%）加入到共晶Fe-5.53Ti-2.29B中，此过程称为纳米处理（NT），而后以小于5K/s的冷却速率缓慢凝固（接近平衡凝固）。冷却后将铸锭在1050℃锻造成矩形棒，后进行炉冷以消除残余应力。
图1 （a）传统铸造HMS的SEM图；（b）NT HMS的SEM图；（c）NT HMS中Fe2B薄片放大图；（d）NT HMS的热加工后Fe2B颗粒图；（e）Fe2B片层和TiB2之间EBSD图；（f）热加工后TiB2和Fe2B形态变化
图2 NT HMS和RHMS的HAADF-STEM图
图3 过共晶HMS凝固过程中的相演变示意图和计算的相图结果
研究发现纳米处理的合金具有更细小的TiB2颗粒，还发现超细Fe2B薄片出现在铁基体中，而Fe2B通常被认为是有害相，在HMS中由于脆化作用、较低的比刚度和较弱的强化效果而不被看好。因此在最初的试验中通过添加过量的Ti抑制Fe2B形成，经过纳米处理后发现有过量的Ti，Fe2B仍存在。经过分析得知，异质TiB2纳米颗粒会引起意外的凝固途径，从而形成异常的相态，进而导致细微的TiB2颗粒嵌入纳米级的Fe2Ti，在熔体中，主要的TiB2团簇之间留有贫Ti区域，以允许形成超细的Fe2B薄片，经过热加工薄片破碎成纳米级Fe2B颗粒，在HMS中提供良好的强化作用。
图4 经不同处理HMS的性能结果
本文提出了一种新型纳米粒子诱导的HMS结构，使用少量TiB2作为异质形核剂，主要是TiB2颗粒与Fe2Ti具有共格界面，其次铁基体变得贫Ti，促进了Fe2B薄片的形成，热加工后变为颗粒，保持了高杨氏模量（251GPa）和比刚度（34 GPa·cm3/g），同时实现了高力学性能。这种方法为生产HMS提供了一种创新途径，未来有望应用于其他合金系统。（文：破风）
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