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香港大學(xué)黃明欣教授團(tuán)隊(duì)：通過(guò)控制位錯(cuò)密度大幅提高超薄鋼的屈服應(yīng)力和均勻伸長(zhǎng)率！

2022-05-20 14:04:40 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

這種對(duì)高強(qiáng)度的需求進(jìn)一步得到了工業(yè)界持續(xù)發(fā)展超薄板（約200μm厚）以進(jìn)一步降低原材料成本的趨勢(shì)。特別是，在板材經(jīng)過(guò)冷軋和退火后通過(guò)額外的冷軋工藝實(shí)現(xiàn)的雙壓下（DR）型板材表現(xiàn)出顯著增加的屈服應(yīng)力

不幸的是，DR 板材的屈服應(yīng)力的提高不可避免地以較低的均勻伸長(zhǎng)率和由此導(dǎo)致的過(guò)度冷變形導(dǎo)致的成形性不足為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于成本問(wèn)題，解決這種權(quán)衡對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)尤其困難。包括納米孿晶（ Lu et al., 2009 ; Lu et al., 2004 ; Sevillano, 2009 ）、雙峰（ Wang et al., 2002 ）、多峰（ Zhao et al., 2008 ）、層狀（Liu et al., 2013）、梯度（Wu et al., 2014）和分層（Liddicoat et al., 2010）；Ming et al., 2019 ）結(jié)構(gòu)雖然增強(qiáng)了應(yīng)變硬化并因此在高屈服應(yīng)力下均勻延伸，但需要復(fù)雜的加工技術(shù)或僅在實(shí)驗(yàn)室中才能實(shí)現(xiàn)的過(guò)量合金元素。事實(shí)上，這些基于納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則通常不適用于工業(yè)生產(chǎn)的低合金、易于回收的大規(guī)模消費(fèi)鋼……

設(shè)計(jì)位錯(cuò)的線缺陷，例如操縱位錯(cuò)密度或控制與間隙碳原子的相互作用，為實(shí)現(xiàn)鋼的相互矛盾的機(jī)械性能提供了不同的途徑（Huang 和 He，2018 年），尤其是通過(guò)簡(jiǎn)單加工路線制造的廉價(jià)鋼。一個(gè)典型的例子是超高強(qiáng)度變形和隔斷（D&P）鋼（ He et al., 2017a ）的大拉伸延展性，可以通過(guò)現(xiàn)有的加工路線生產(chǎn)。為了在不犧牲屈服應(yīng)力的情況下在 DR 鋼板中獲得大的均勻伸長(zhǎng)率，因此控制位錯(cuò)密度以及碳-位錯(cuò)相互作用可能是合理的。

在此，香港大學(xué)黃明欣教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的 DR 工藝來(lái)證明這一概念在超薄 DR 片材中的有效性，該工藝涉及精確控制位錯(cuò)密度和烘烤硬化。分別對(duì)采用常規(guī) DR 工藝和優(yōu)化工藝生產(chǎn)的兩種化學(xué)成分相似的超薄 DR 鋼進(jìn)行了分析和比較。這兩種鋼表現(xiàn)出相同的約 510 MPa 的屈服應(yīng)力，但表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化行為和均勻的伸長(zhǎng)率。詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)表征，包括同步加速器 X 射線衍射分析，用于定量分析強(qiáng)化機(jī)制對(duì)于每一種鋼材。結(jié)果表明，優(yōu)化后的 DR 鋼顯著增加的均勻伸長(zhǎng)率源于其在拉伸應(yīng)變過(guò)程中連續(xù)產(chǎn)生位錯(cuò)的能力。此外，由于碳-位錯(cuò)相互作用，烘烤硬化處理促進(jìn)了 96 MPa 的額外強(qiáng)化，確保優(yōu)化的 DR 鋼的屈服應(yīng)力不受影響。總體而言，這項(xiàng)工作展示了一種有效且工業(yè)兼容的方式來(lái)提高 DR 片材的可成形性，同時(shí)保持其屈服應(yīng)力。該結(jié)果可能為行業(yè)開(kāi)發(fā)廉價(jià)、可回收的超薄鋼板提供了一條通用途徑，該鋼板具有顯著的屈服應(yīng)力和均勻伸長(zhǎng)率組合。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922001152

圖 1顯示了兩種鋼板沿 RD 的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及由DIC在各種全局應(yīng)變下獲得的相應(yīng)應(yīng)變分布圖。這兩種鋼具有相似的 0.2% 偏置屈服應(yīng)力（ σy ），約為 510 MPa ，但它們表現(xiàn)出不同的屈服行為，從連續(xù)屈服（鋼 A）到不連續(xù)屈服（鋼 B）。鋼 B 表現(xiàn)出的不連續(xù)屈服通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的早期應(yīng)力平臺(tái)和 DIC 測(cè)量揭示的雙 Lüders 帶的傳播來(lái)識(shí)別（圖 1乙）。Lüders 帶同時(shí)從試樣的上肩部和下肩部開(kāi)始并傳播，直到兩個(gè)帶在ε ? 0.014 處相遇。這種 Lüders 帶是典型的現(xiàn)象，主要發(fā)生在烘烤硬化后的低碳鋼中（Ballarin 等，2009 ），在此期間，間隙碳原子遷移到位錯(cuò)并形成 Cottrell 氣氛。未經(jīng)烘烤硬化的鋼 A 沒(méi)有顯示出這種應(yīng)力平臺(tái)。

圖 1。原樣（a）鋼 A 和（b）鋼 B 的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載軸平行于板材的 RD。還顯示了每個(gè)測(cè)試（視場(chǎng)：25 mm × 4.7 mm）在各種全局工程應(yīng)變（ εg ）下軸向應(yīng)變場(chǎng) （ εyy ）的相應(yīng)演變。

圖 2顯示了兩種鋼沿 RD、DD 和 TD 的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。相關(guān)的機(jī)械性能總結(jié)在表 3中。對(duì)于每種鋼，試樣取向僅對(duì)σ y、σ u、ε u和ε f等力學(xué)性能產(chǎn)生輕微影響，而應(yīng)變硬化行為相對(duì)于拉伸方向幾乎沒(méi)有變化。圖 3顯示了兩種原樣鋼的初始 SEM 顯微組織。兩種鋼都表現(xiàn)出典型的由微米級(jí)珠光體團(tuán)和鐵素體晶粒組成的前共晶微觀結(jié)構(gòu)。珠光體相由輕微變形或無(wú)明顯變形的層狀形態(tài)識(shí)別，在兩種鋼中具有大致相同的體積分?jǐn)?shù)，如從 SEM 圖像評(píng)估的那樣。鋼 A 中的珠光體面積分?jǐn)?shù)測(cè)得約為 4.9%，而鋼 B 中約為 5.2%。

圖 2。原樣（a）鋼 A 和（b）鋼 B 的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載軸平行于板材的 RD、DD 和 TD。

圖 3。（a）鋼 A 和（c）鋼 B 的初始 SEM 顯微組織。RD 沿圖的垂直方向。（b）（a）中白框標(biāo)記區(qū)域的放大圖，顯示鋼A中存在碳化物。（d）（c）中白框標(biāo)記區(qū)域的放大圖。

圖 4。收到的（a）鋼 A 和（b）鋼 B 的反極圖（IPF）電子背散射衍射（EBSD）圖。還提供了基于 EBSD 圖的極圖和晶粒尺寸分布。

由于很難通過(guò) TEM 可靠地測(cè)量現(xiàn)有鋼的位錯(cuò)密度，因此在這項(xiàng)工作中使用了衍射峰展寬分析。兩種鋼在不同工程應(yīng)變下的位錯(cuò)密度（鋼 A 為 0%、4%、8%，鋼 B 為 0%、3%、10%）通過(guò)同步輻射 X 射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)合 MWH 測(cè)量方法（Ungár 等人，1998b）。對(duì)于圖7中的每個(gè)衍射圖案，可以確定ΔK和K的五個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)。ΔK 是通過(guò)用偽 Voigt 函數(shù)擬合峰值來(lái)確定的，誤差線代表 ΔK 的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。如上圖所示，兩種鋼都呈現(xiàn)珠光體相，層狀結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)（圖 3 b 和 d）。預(yù)計(jì)第一次冷軋期間的劇烈塑性變形會(huì)嚴(yán)重扭曲層狀結(jié)構(gòu)，而兩種鋼中的珠光體都表現(xiàn)出幾乎未變形的形態(tài)。這可以從以下事實(shí)來(lái)理解：在臨界退火過(guò)程中（溫度低于 Ac3），形成奧氏體的第一步是珠光體溶解成高碳奧氏體（ Speich et al., 1981），由于局部碳含量高，珠光體將在冷卻后生長(zhǎng)。因此，兩種鋼中未變形的珠光體層狀結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)將在退火過(guò)程中由最初變形的珠光體集落的相同位置形成。

圖 5。目前兩種鋼（a，c）在應(yīng)變至 10%（沿 RD）之前和（b，d）之后的 EBSD-KAM 映射。

圖 6。明場(chǎng)TEM圖像，在（110）雙光束條件下，顯示了當(dāng)前兩種鋼（a，c）在應(yīng)變至 10%（沿 RD）之前和（b，d）中大晶粒的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

圖 7。兩種鋼的同步加速器XRD結(jié)果。（a）和（c）是（a）鋼 A 和（c）鋼 B 在不同應(yīng)變下的同步加速器 XRD 曲線。拉伸方向沿 RD。（b）和（d）顯示了（b）鋼 A 和（d）鋼 B 在不同應(yīng)變下的（200）峰。在（b）和（d）中，峰強(qiáng)度被歸一化以識(shí)別峰展寬的存在。

圖 8。根據(jù)等式（5），在各種工程應(yīng)變下（a）鋼 A 和（b）鋼 B 的修正 Williamson-Hall 圖。

圖 9。目前兩種鋼的位錯(cuò)密度隨真應(yīng)變的演變，由修正的 Williamson-Hall 圖確定。

圖 10。經(jīng)烘烤硬化（BH）處理和未經(jīng)烘烤硬化（BH）處理的鋼 A 樣品的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（平行于 RD 的加載軸）。

圖 11。（a）鋼 A 和（b）鋼 B塑性變形過(guò)程中各自的強(qiáng)化對(duì)流變應(yīng)力的貢獻(xiàn)。對(duì)于均勻伸長(zhǎng)率非常小的鋼 A，只顯示了工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并繪制了硬化貢獻(xiàn)對(duì)抗工程壓力。對(duì)于鋼 B，工程和真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線都顯示出來(lái)，硬化貢獻(xiàn)相對(duì)于真實(shí)應(yīng)變作圖。實(shí)驗(yàn)確定的真實(shí)應(yīng)力與計(jì)算的真實(shí)應(yīng)力很好地匹配。

與鋼 A 相比，鋼 B 的熱機(jī)械處理不會(huì)顯著改變其他重要特性，例如紋理和塑性各向異性。因此有人提出，可以通過(guò)控制位錯(cuò)來(lái)實(shí)現(xiàn) DR 片材的強(qiáng)度和成型性的完美結(jié)合。目前解決超薄板強(qiáng)度和成型性之間沖突的方法很容易適用于需要具有簡(jiǎn)單化學(xué)成分和常規(guī)加工路線的鋼的全球包裝行業(yè)。