燕山大學(xué)：均勻延伸率達190%！通過引入碳擴散策略使層狀鋼具有更高強度和延展性

導(dǎo)讀：本研究提供了一種碳擴散策略，以同時提高復(fù)合馬氏體鋼的強度和延展性，并將均勻延展性提高 190%。該過程在不失去奧氏體成分的硬化能力的情況下強化了馬氏體，并帶來了實質(zhì)性的過渡層。這種策略也可以應(yīng)用于其他含輕元素的復(fù)合合金，從而為制造高強度和高延展性材料提供了途徑。

在本研究中，燕山大學(xué)提供了一種新的元素擴散策略，即輕元素（如碳）的長程擴散。與初始整體馬氏體鋼相比，該策略不會降低每一層的機械性能，并提高復(fù)合馬氏體鋼的強度和延展性。相關(guān)研究成果以題“Making composite steel higher strength and higher ductility via introducing carbon diffusion strategy”發(fā)表在國際著名期刊Materials Research Letters上。

論文鏈接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2021.1953629

圖 1.盒子中的堆疊結(jié)構(gòu)（a），整體鋼（b 和 c）和復(fù)合鋼（d-g）的微觀結(jié)構(gòu)。馬氏體鋼（b）和哈德菲爾德鋼（c），復(fù)合鋼（d）的光學(xué)觀察，以及馬氏體層（e）、界面區(qū)（f）和哈德菲爾德層的TEM顯微組織，與標有A的正方形區(qū)域一致， B 和 C 中的 d。

總之，盡管哈德菲爾德層為馬氏體貢獻了 20% 的碳，但仍保留了它的高應(yīng)變硬化能力。這一點對于本研究中元素擴散策略的成功具有戰(zhàn)略意義。首先，哈德菲爾德層的初始硬化率與整體鋼相當。根據(jù)元素分布結(jié)果（圖 2（a）），兩層之間存在過渡層（約20μm厚），其厚度根據(jù)硬度分布增加到約45μm（圖 4）。該結(jié)果表明復(fù)合鋼由哈德菲爾德層、馬氏體層和梯度層組成。幾項關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)的有趣研究表明，在細晶粒和粗晶粒之間的界面處產(chǎn)生的應(yīng)力不相容性可能導(dǎo)致應(yīng)變梯度，這將通過梯度區(qū)域中的幾何必要位錯 (GND) 來適應(yīng) 。

圖 2. EMPA 結(jié)果關(guān)于相鄰層（a 和 c）之間合金元素的含量以及使用 Thermal Calc 軟件（b）計算的碳活性。

這種新工藝產(chǎn)生的機械性能及其與參考整體鋼的比較如圖3(a) 所示。不僅均勻延展性和總延展性分別提高了 190% 和 40%；與經(jīng)過相同熱加工工藝處理的整體馬氏體鋼相比，屈服強度和極限抗拉強度顯著提高。復(fù)合鋼的應(yīng)變硬化率較高，如圖3(b), 應(yīng)負責增加的機械性能。這種復(fù)合鋼的強度和伸長率也高于在熱軋元素擴散后沒有最后 5 分鐘打孔工藝的鋼。該結(jié)果直接表明引入碳擴散策略可以同時提高高強復(fù)合鋼的強度和延展性。

圖 3.復(fù)合鋼和參考整體鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (a) 和相應(yīng)的應(yīng)變-硬化速率-應(yīng)變曲線 (b)。注：UD、TD、UTS 和 YS 分別表示均勻延展性、總延展性、極限抗拉強度和屈服強度。

圖 4.復(fù)合鋼的硬度演變及其與整體鋼（a、c 和 d）的比較以及馬氏體層中殘余奧氏體的體積分數(shù)（b）。

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