《MSEA》：纤维异构显著提升2.1GPa超高强度中锰钢的断裂韧性！
2024-06-14 15:37:11
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
分享至：
为了减少能源消耗和环境污染，工业界对金属材料的机械性能提出了更高的要求，尤其是强度、延展性和断裂韧性等关键指标。传统金属材料通常具有均匀的微观结构，其本征韧性主要与材料的延展性有关。随着金属材料强度的提升，其延展性一般会降低，因此，本征韧性也随之降低。事实上，金属材料的韧性是由本征和外部增韧共同决定的。外部增韧的典型表现形式为裂纹的偏转、桥接、分叉和分层增韧等。启动分层增韧需要两个必要条件：在微观结构上，需要有“相对较弱界面”以协助开裂；在能量上，需要有超过“弱界面”临界断裂应力的“高应力”来拉开“弱界面”。因此，基于增韧机制，通过微观结构设计来开发强度、延展性和断裂韧性兼具的金属结构材料。近期，四川大学黄崇湘教授团队和钢铁研究总院曹文全团队通过向马氏体基体引入纤维状铁素体，激活了分层增韧，制备出一种超高强高韧（屈服强度1560 MPa、抗拉强度、2103MPa、均匀延伸率7.3%、断裂延伸率10.7%、断裂韧性105 MPa m1/2）的双相结构中锰钢。通过单轴拉伸和断裂韧性测试及裂纹扩展的表征，发现铁素体/马氏体界面提供了分层增韧所需的“相对较弱界面”，高屈服强度提供了超过“弱界面”临界断裂应力所需的“高应力”，成功启动了分层增韧机制，引发主裂纹在扩展过程中发生偏转、桥接和分叉，极大地提高了材料的断裂韧性。这项研究突出了纤维状铁素体的作用，为进一步设计强韧性兼具的结构材料提供了范例。相关成果以“High fracture toughness of an ultra-strong medium Mn steel with fibrous ferrite in a martensitic matrix”为题发表于期刊Materials Science & Engineering A上。论文第一作者为四川大学博士研究生张超，通讯作者为钢铁研究总院曹文全教授和四川大学黄崇湘教授。https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146606
图 1. 所研究钢材的微观结构。（a）纵向显微组织的光学图像。（b）纵向显微组织的放大图，铁素体和马氏体分别被标记为“F”和“M”。（c）横截面显微组织的光学图像。（d）马氏体和铁素体的 EBSD 图像。（e）特征区域的放大图，其中红色实线表示高角度晶界，绿色实线表示低角度晶界。（f）和（g）分别为铁素体和马氏体在相同外加载荷下的显微硬度压痕。
图 2. 所研究钢材的拉伸和断裂性能测试。（a）拉伸工程应力-应变曲线和相应的真实应力-应变曲线（插图）。（b）在室温（RT）条件下由紧凑拉伸（CT）试样测得的J积分阻力曲线（J-R曲线）。
图 3. 沿轧制方向样品的裂纹扩展。（a）未断裂试样宏观断裂侧面的扫描电镜显微照片，显示主裂纹的扩展。（b-e）特征区域（（a）中白色虚线框）的相应放大图。（f）断裂试样侧面的光学图像，显示主裂纹呈锯齿状扩展。（g）特征区域的放大图。
图 4. 垂直于轧制方向试样的裂纹扩展。（a）未断裂试样宏观断裂侧面的扫描电镜显微照片，显示了主裂纹的扩展。（b-d）特征区域的相应放大图。
图 6. 所研究钢材与其它高强度钢的力学性能对比图。（a）断裂韧性与屈服强度对比图。（b）断裂韧性与抗拉强度对比图。高强度钢包括双相钢、马氏体时效钢、马氏体钢、高碳钢、TRIP 钢、高强度低合金钢、奥氏体不锈钢、低碳贝氏体钢、纳米贝氏体钢和高锰钢。本研究分别对沿轧制方向和其垂直方向的紧凑拉伸（CT）试样（主裂纹扩展方向垂直/平行于纤维状铁素体长度方向）进行了断裂韧性测试。结果表明，沿轧制方向试样由于铁素体/马氏体界面分层，导致了主裂纹的偏转、桥接和分叉。同时，根据断裂能量准则（the energy criterion for fracture），在主裂纹偏转的同时，裂纹尖端之前的塑性区域也会相应扩大。通过与其它高强度钢材的机械性能进行对比，发现沿轧制方向试样在本征和外部增韧共同作用下，具有非常高的断裂韧性（105 MPa m1/2），打破了传统认为的提高强度会降低断裂韧性的常识。而垂直于轧制方向试样的主裂纹主要沿着铁素体/马氏体界面扩展，从外部增韧获得的韧性提升较低，因而其断裂韧性（56 MPa m1/2）较低。
免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。
