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東北大學(xué)：超塑性110%！開發(fā)高強(qiáng)度-超塑性超細(xì)晶鐵素體鋼！

2021-02-19 15:35:57 作者：本網(wǎng)整理來源：材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號分享至：

導(dǎo)讀：在涉及各種應(yīng)變速率和高溫情況下，我們對納米Fe3C碳化物的高強(qiáng)度UFG鐵素體鋼的高強(qiáng)度和高塑性機(jī)制的理解目前還存在差距。為了解決我們知識中的缺口，本文進(jìn)行了一系列實驗，UFG鐵素體鋼在600 ℃，特別是在0.0017 s-1應(yīng)變速率下，具有較高的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率，抗拉強(qiáng)度為510 MPa，低溫超塑性（110%）良好。在相同的溫度下，這些力學(xué)性能明顯優(yōu)于類似類型的鋼。

鐵素體鋼是中碳低合金鋼，鑒于其優(yōu)異的加工硬化能力和令人印象深刻的高屈服強(qiáng)度，它們已在壓力容器和其他戰(zhàn)略應(yīng)用中得到應(yīng)用。然而，一個重要的缺點是它們在高強(qiáng)度下的低伸長率，這阻礙了它們在工業(yè)中的潛在應(yīng)用。最近的研究表明，有可能通過晶粒細(xì)化和納米尺寸碳化物的沉淀來提高強(qiáng)度和韌性。然而，有必要了解變形過程中應(yīng)變速率和溫度對具有納米尺寸沉淀物的UFG鋼的綜合影響。從基礎(chǔ)知識的角度和服務(wù)環(huán)境的角度來看，這種理解都很重要。盡管鋼在高溫下的機(jī)械性能是防火結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值模擬建模中的重要參數(shù)。一般來說，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低。因此，對改善鐵素體鋼的高溫機(jī)械性能給予了極大的關(guān)注。

在金屬材料中，晶粒細(xì)化是提高強(qiáng)度的有效方法，并在實踐中得到廣泛應(yīng)用。不可避免地，提高溫度會引入微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，例如位錯恢復(fù)和晶粒生長，這嚴(yán)重惡化了機(jī)械性能。然而，它可以通過納米顆粒的沉淀強(qiáng)化和抑制晶粒生長來補(bǔ)償，從而改善高溫機(jī)械性能。最典型的例子是氧化物彌散強(qiáng)化鋼，它是由彌散的氧化物強(qiáng)化的，在600 ℃時抗拉強(qiáng)度可達(dá)430 MPa。有趣的是，在UFG合金中，除了動態(tài)位錯恢復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶之外，晶界滑動可能在高溫低應(yīng)變率下發(fā)生，因為滑動中涉及大量晶界，并且通過擴(kuò)散和/或滑移適應(yīng)的距離小，這有助于超塑性。

目前對高強(qiáng)度或冷成型鋼在高溫下的材料性能的了解有限，尤其是對UFG鋼而言。此外，動態(tài)變形條件不僅影響基體結(jié)構(gòu)的演變，還影響材料的沉淀行為，這兩個因素的綜合作用決定了具有納米尺寸沉淀的UFG材料的性能。

最近，東北大學(xué)通過結(jié)合應(yīng)變速率、溫度和納米尺寸碳化物的影響，提出了對UFG鐵素體鋼的機(jī)械行為的機(jī)械理解。通過在較寬的溫度（25-600℃）和應(yīng)變速率范圍內(nèi)進(jìn)行一系列拉伸試驗，研究了溫度和應(yīng)變速率對UFG鋼的納米尺寸沉淀物、高溫強(qiáng)度和斷裂機(jī)理的影響，這些都是以前沒有研究過的。所獲得的基本理解有望促進(jìn)新鋼材的設(shè)計，以便在涉及不同應(yīng)變率和高溫組合的情況下使用。相關(guān)研究成果以題“High strength-superplasticity combination of ultrafine-grained ferritic steel: the significant role of nanoscale carbides”發(fā)表在金屬頂刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：https/77726476706e69737468656265737421e7e056d234336155700b8ca891472636a6d29e640e/science/article/pii/S1005030221001122#!

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屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著溫度從25 ℃升高到450 ℃而降低，這與動態(tài)回復(fù)有關(guān)。然而，600 ℃下的顯著軟化主要與動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。

圖1EBSD反極圖（IPF）顯微組織圖顯示了超細(xì)晶（UFG）鋼的晶粒形貌。

圖2 工程應(yīng)力-應(yīng)變（a，b，c）和真實應(yīng)變-應(yīng)力曲線（a1，b1，c1）。

圖3（EBSD反極圖（IPF）顯微組織圖揭示了0.17秒時UFG鐵素體鋼中晶粒的形態(tài)。

在拉伸變形過程中，由于Fe3C顆粒的尺寸和體積分?jǐn)?shù)減小，觀察到了Fe3C顆粒的溶解。高溫和低應(yīng)變速率促進(jìn)Fe3C顆粒的溶解。

圖4 透射電鏡顯示了不同應(yīng)變速率和溫度下UFG鋼中納米Fe3C顆粒的形貌。

圖5 掃描電鏡觀察了UFG鐵素體鋼斷口形貌。

UFG鐵素體鋼在600℃和0.0017 s-1時表現(xiàn)出較高的σUTS （510 MPa），明顯高于同類鋼（70-430 MPa）。4個因素導(dǎo)致了高的σ值，分別是細(xì)晶粒強(qiáng)化、納米級Fe3C和VC顆粒引起的沉淀強(qiáng)化、Fe3C顆粒溶解引起的固溶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化。

圖6 變形后的UFG鐵素體鋼（D6AC）（D = ~500 nm, dFe3C = 80±10 nm）斷口的韌窩尺寸λ與溫度、應(yīng)變速率（a）、延伸率以及600 ℃時的韌窩面積分?jǐn)?shù)（b）有關(guān)。

在參數(shù)為600 ℃（0.42Tm）和0.0017 s-1獲得了110%的優(yōu)良延伸率的低溫超塑性。晶界滑移和動態(tài)再結(jié)晶是合金大延伸率的主要原因。在600 ℃下觀察到又大又深的凹窩，表明相互連通的空腔是導(dǎo)致空腔生長的主要原因。隨著應(yīng)變速率的減小，韌窩的平均尺寸和面積分?jǐn)?shù)均減小