導(dǎo)讀：高強(qiáng)度低合金鋼（鐵素體HSLA 鋼）具有優(yōu)異的機(jī)械性能和可成形性，其微觀結(jié)構(gòu)為單一鐵素體，并含有精細(xì)分散的納米沉淀物，因此在汽車行業(yè)備受關(guān)注。然而，為了最大限度地利用沉淀硬化效應(yīng)，這些鋼材必須添加大量的碳化物形成元素，這不可避免地縮小了工藝窗口并增加了成本。帶鋼鑄造具有簡(jiǎn)化工藝鏈和高能效的特點(diǎn)，已成為開(kāi)發(fā)鐵素體HSLA 鋼的一種有前途的技術(shù)。本文利用帶鋼鑄造的工藝特點(diǎn)，報(bào)告了通過(guò)將卷取溫度提高到650 ℃，在低鈮微合金鐵素體HSLA 中設(shè)計(jì)出一種新型的單鐵素體微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有以相間沉淀和隨機(jī)方式分布的多原子層狀晶簇。多原子層狀簇在調(diào)整位錯(cuò)行為、促進(jìn)局部雙交叉滑移、促進(jìn)位錯(cuò)倍增和均勻分布方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這些機(jī)制共同維持了較高應(yīng)變下的輕度加工硬化，從而實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和延展性的綜合提升。與在480 ℃下卷繞的無(wú)簇貝氏體對(duì)應(yīng)材料相比，結(jié)果表明其機(jī)械性能有了顯著提高，極限強(qiáng)度提高了（從630 兆帕提高到670 兆帕），塑性提高了90%（從10.3% 提高到19.1%）。

高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）具有優(yōu)異的機(jī)械性能和成本效益，已成為汽車行業(yè)的關(guān)鍵材料。與傳統(tǒng) HSLA 鋼不同，鐵素體 HSLA 鋼沒(méi)有沿相界的明顯應(yīng)力集中，其特點(diǎn)是具有單一的軟鐵素體基體和細(xì)小分散的納米析出物，具有值得稱道的強(qiáng)度和延展性組合，以及出色的拉伸-法蘭性能（例如，相間析出物強(qiáng)化的 "NANOHITEN "鋼），因此備受關(guān)注。然而，要在傳統(tǒng)加工的 HSLA 鋼中達(dá)到最佳的沉淀強(qiáng)化效果，必須加入高濃度（數(shù)千 ppms）的碳化物形成元素，如 Nb、V 和 Mo，這反過(guò)來(lái)又會(huì)延緩γ→α 相變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，阻礙形成單一的鐵素體基體，從而影響其成型性。此外，在不同階段生成精細(xì)分散的納米沉淀物所需的復(fù)雜熱機(jī)械加工程序（包括多道熱軋和再加熱工藝）也會(huì)提高生產(chǎn)成本和二氧化碳排放量。

要破解這些復(fù)雜性并在帶澆鐵素體 HSLA 中更有效地利用晶簇強(qiáng)化機(jī)制，就必須通過(guò)動(dòng)態(tài)觀察提供直接證據(jù)，闡明晶簇與位錯(cuò)等變形載體之間的相互作用。在本研究中，通過(guò)精心定制的卷繞條件，我們成功地將多原子層狀晶簇引入到帶狀鑄造的 0.05 wt.% Nb 微合金 Q550 HSLAs（命名為 Q550Nb）中。與原型試樣相比，使用多原子層狀簇強(qiáng)化的試樣不僅在強(qiáng)度方面，而且在延展性方面都有顯著提高。APT 和 HR-STEM 等先進(jìn)技術(shù)被用來(lái)分析多原子層狀簇的構(gòu)造。在透射電子顯微鏡（TEM）內(nèi)進(jìn)行的原位應(yīng)變測(cè)試可實(shí)時(shí)觀察位錯(cuò)與簇的相互作用。這些觀察結(jié)果捕捉到了多原子層狀簇群促成的差排釘住、局部雙交叉滑移和差排倍增等現(xiàn)象。這種動(dòng)態(tài)相互作用有效地促進(jìn)了不同原子平面間的位錯(cuò)，從而大大提高了模擬卷繞 Q550Nb 帶鑄 HSLA 的延展性。這種認(rèn)識(shí)有可能激發(fā)創(chuàng)新的成分和熱機(jī)械加工設(shè)計(jì)，以定制納米級(jí)材料結(jié)構(gòu)和變形行為，從而實(shí)現(xiàn)高性能帶模鑄造 HSLA 鋼。

該研究由北京科技大學(xué)碳中和研究院汪水澤、高軍恒、趙海濤、毛新平等人完成。

相關(guān)研究成果以“Cluster mediated high strength and large ductility in a strip casting micro-alloyed steel”發(fā)表在Acta Materialia上

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424004531?via%3Dihub

圖 1. 顯示 (a) Q550Nb 試樣和在 (b) 620 ℃ 和 (c) 650 ℃ 模擬卷繞條件下試樣的初始卷繞狀態(tài)的掃描電鏡顯微照片。在與凝固方向平行的平面上采集顯微照片。沿[100]α區(qū)軸拍攝的TEM 明視場(chǎng)圖像分別為卷繞狀態(tài)的Q550Nb 試樣（d）、Q550Nb-620（e）和Q550Nb-650（f）。各圖中的插圖描述了鐵素體晶粒沿[100]α 區(qū)軸線的相應(yīng)電子衍射圖。

圖 2. 機(jī)械性能。(a) 原卷曲試樣、Q550Nb-620和Q550Nb-650 的應(yīng)變-應(yīng)力曲線。屈服強(qiáng)度（σy）、極限強(qiáng)度（σUTS）和均勻伸長(zhǎng)率（ε）分別用正方形和菱形表示。(b)相應(yīng)的加工硬化響應(yīng)（dσ/dε）。值得注意的是，Q550Nb-650具有更高的加工硬化率和獨(dú)特的加工硬化行為。

圖 3. 沿 (a) Q550Nb-620 和 (b) Q550Nb-650 試樣的[100]α區(qū)軸拍攝的放大明場(chǎng)TEM 圖像。(c)和(d)中的高分辨率TEM（HRTEM）圖像分別對(duì)應(yīng)于(a)和(b)中紅色框內(nèi)的圓盤(pán)狀和圓形顆粒。插圖顯示了從各自成像區(qū)域得出的相應(yīng)快速傅立葉變換(FFT) 圖樣。

圖 4 Q550Nb-650 中團(tuán)簇的TEM 和HR-HAADF-STEM 圖像。(a) 鐵素體晶粒的明視場(chǎng)圖像。插圖是所成像晶粒沿[100]α 區(qū)軸線的相應(yīng)SADP。(b)晶簇的暗場(chǎng)圖像。用于暗視野成像的衍射點(diǎn)由（a）中的黃圈標(biāo)出。(c) HR-HAADF-STEM 圖像，顯示星團(tuán)和相應(yīng)的FFT 反射點(diǎn)。(d)從鈮和富含N 的胚團(tuán)到NbN 納米沉淀物的演變示意圖，相應(yīng)的衍射涉及不同數(shù)量的氮原子占位。

圖 5. Q550Nb-650 試樣中團(tuán)簇的HAADF-STEM。(a) Q550Nb-650 的HAADF 圖像，(b) Q550Nb-650 中觀察到的顆粒的放大HAADF-STEM 圖像（a中的黃色破折號(hào)框區(qū)域），以及同一區(qū)域中(c)鐵、(d)鉻和(e) 鈮的相應(yīng)EDS 圖。

圖 6. Q550Nb-650 試樣中的原子探針層析成像圖。(a) Q550Nb-650 中溶質(zhì)原子分布概覽。命中圖和分布圖（補(bǔ)充圖3）共同表明，鐵素體基體的(002)α 極幾乎與圖的中心對(duì)齊。插圖提供了鐵素體矩陣和一個(gè)代表性星團(tuán)的視覺(jué)背景。插圖強(qiáng)調(diào)了星團(tuán)與鐵素體矩陣的(002)α 平面幾乎平行排列。(b)和(c)分別顯示了隨機(jī)分布的和相間聚成的簇群，其特征元素的等組成面為1%，近似直方圖顯示了已識(shí)別的隨機(jī)分布簇群和相間聚成簇群的平均組成變化。

圖 7. Q550Nb-650 中差排構(gòu)型的TEM 觀察結(jié)果。(a) 在應(yīng)變?yōu)?/span>2% 時(shí)，差排以平面滑移模式組織。(b)在應(yīng)變?yōu)?/span>8% 時(shí)，一系列位錯(cuò)特征變得明顯，包括位錯(cuò)環(huán)（用紅色箭頭表示）、位錯(cuò)偶極子（用白色箭頭突出顯示）和位錯(cuò)釘點(diǎn)（用黃色箭頭表示）。(c)在斷裂的試樣中，差排亞結(jié)構(gòu)顯示出主要由高密度差排偶極組成的偶極壁的存在。

圖 8 在原位應(yīng)變Q550Nb-650 中觀察到的差排釘扎產(chǎn)生的差排倍增。(a) 差排被障礙物釘扎。(b)位錯(cuò)阻擋相互作用產(chǎn)生三個(gè)明顯的位錯(cuò)環(huán)（紅色虛線橢圓突出顯示）。(c)位錯(cuò)環(huán)的擴(kuò)展。(d)特定差排環(huán)的擴(kuò)展。(e)由于差排環(huán)的擴(kuò)展，差排倍增為兩個(gè)螺釘分段。(f)位錯(cuò)的進(jìn)一步滑動(dòng)。

圖 9. 位錯(cuò)雙交叉滑移是由簇的銷釘效應(yīng)引起的。(a)位錯(cuò)1 和位錯(cuò)2（白色虛線標(biāo)出）在同一路徑上滑動(dòng)。(b)如白色箭頭所示，滑移的差排2 被兩個(gè)障礙物釘住。(c)在紅色橢圓虛線標(biāo)出的差排環(huán)即將形成時(shí)，差排2（白色箭頭標(biāo)出的中點(diǎn)）出現(xiàn)了強(qiáng)烈的釘住效應(yīng)。(d)在差排1 和2 的滑移面上觀察到差排倍增，形成了新的差排3 和4。(e) 示意圖表明，在釘扎效應(yīng)的幫助下，雙交叉滑移增強(qiáng)了差排倍增。

圖 10. Q550Nb-650 合金的滑移痕跡形態(tài)分析。(a)在應(yīng)變?yōu)?/span>2% 的變形水平下，滑移痕跡主要沿直線排列（用白色虛線表示，并用白色箭頭強(qiáng)調(diào)）。(b)應(yīng)變達(dá)到5 % 時(shí)，滑移痕跡顯示出直線和波浪形的組合（用黃色箭頭強(qiáng)調(diào)）。(c)應(yīng)變進(jìn)一步增加到10 % 時(shí)，波浪形滑移線的出現(xiàn)增多。(d)應(yīng)變達(dá)到15 % 時(shí)，除了出現(xiàn)與獨(dú)特滑移系統(tǒng)相關(guān)的直線滑移痕跡（如左上角白色虛線所示）外，還觀察到波浪形滑移痕跡的增加，特別是以大量波浪形滑移線為標(biāo)志（黃色方框區(qū)域）。

圖 11. (a) 使用Thermo-Calc 和TCFE12 數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算的與溫度有關(guān)的平衡相分?jǐn)?shù)（重量分?jǐn)?shù)）。(b) NbC 和NbN 分別在奧氏體和鐵素體中的溶度積。

本研究系統(tǒng)地探討了富溶質(zhì)簇的形成機(jī)理及其在帶澆鐵素體 HSLA 的強(qiáng)度和延展性提高中的積極作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下主要結(jié)論：

(1)在帶鑄 0.05 重量%鈮合金Q550 HSLA 中，適當(dāng)選擇模擬卷繞條件可在 Q550Nb-650 試樣中引入富含 Nb 和 N 的多原子層狀簇，使其有別于在Q550Nb-620 試樣中觀察到的圓盤(pán)狀單原子層狀簇。Q550Nb-650 中的這些簇呈現(xiàn)出隨機(jī)和相間分布的形態(tài)，化學(xué)計(jì)量學(xué)也各不相同。多原子層狀團(tuán)簇與鐵氧體基體完全一致，被定性為富含鈮、鎳的 GP 型團(tuán)簇，由于在卷繞過(guò)程中抑制了鈮原子的擴(kuò)散，因此具有很高的熱穩(wěn)定性。

(2)對(duì) Q550Nb-650 的變形結(jié)構(gòu)分析表明，在塑性變形的初始階段，平面滑移占主導(dǎo)地位。隨著應(yīng)力和應(yīng)變的增加，頻繁的差排-簇相互作用誘發(fā)并使交叉滑移成為主要機(jī)制。原位 TEM 觀察動(dòng)態(tài)地闡明了機(jī)械加載下富含溶質(zhì)的多原子層狀簇和差排之間的相互作用。多原子層狀簇在塑性變形過(guò)程中促進(jìn)了位錯(cuò)釘合、交叉滑移和局部雙交叉滑移，這有助于位錯(cuò)倍增和位錯(cuò)的均勻分布，延遲了局部應(yīng)力峰值，導(dǎo)致加工硬化和延展性增強(qiáng)。這使得 Q550Nb-650 試樣的極限強(qiáng)度提高（從 630 兆帕提高到 670 兆帕），塑性顯著提高 90%（從 10.3% 提高到 19.1%）。

闡明多原子層狀團(tuán)簇和位錯(cuò)之間的相互關(guān)系有助于深入了解它們對(duì)力學(xué)性能的影響，從而推動(dòng)采用帶狀鑄造技術(shù)設(shè)計(jì)和加工團(tuán)簇強(qiáng)化的低成本高性能 HSLA。