燕山大学：通过引入碳扩散策略使层状钢具有更高强度和延展性
导读：本研究提供了一种碳扩散策略，以同时提高复合马氏体钢的强度和延展性，并将均匀延展性提高 190%。该过程在不失去奥氏体成分的硬化能力的情况下强化了马氏体，并带来了实质性的过渡层。这种策略也可以应用于其他含轻元素的复合合金，从而为制造高强度和高延展性材料提供了途径。
提高材料的强度和延展性不仅对材料研究人员，而且是工业应用一直是理想的。然而，它们之间的权衡关系往往被激活，从而降低了结构件的安全性。马氏体钢是一种重要的结构材料，不仅因为它的强度高，而且还因为它的热处理工艺简单。然而，马氏体的延展性，尤其是其均匀延展性，在淬火回火条件下相当低。
目前已经采取了许多措施来解决马氏体钢的这种弱点。将软成分，如铁素体 和残余奥氏体引入马氏体基体，以及结合软奥氏体钢是一种主要方法。基于不同的途径，如多步分配，包括闪蒸和淬火分配，调整残余奥氏体，特别是其稳定性，以控制相变诱导塑性过程，在高强度钢领域具有吸引力。延展性可以增加，但拉伸强度通常会降低。近来，一些新的方法，如化学边界工程和位错工程，已被开发用于制造高强度和高韧性钢。
将高强度金属与高延展性金属相结合，产生具有交替的硬软层的多层结构是提高高强度金属延展性的其他有效方法。在软层的配合下可以增加硬层的变形能力。低强度、高延展性的奥氏体钢是马氏体钢的合适搭档。同样，复合钢的强度根据奥氏体钢的含量及其与基体马氏体钢的强度差异而降低，遵循“平均法则”。以前的研究通常通过键合过程后的短时间热处理来限制元素扩散，例如碳原子的扩散或镍层插入以避免高强度和高延展性层的机械性能恶化。这导致马氏体层上的基本微观结构几乎没有变化，除了细化的晶粒尺寸，这不能完全补偿由于软奥氏体造成的强度损失。因此，必须探索我们是否可以引入额外的强化途径来平衡强度损失而不降低延展性。
在本研究中，燕山大学提供了一种新的元素扩散策略，即轻元素（如碳）的长程扩散。与初始整体马氏体钢相比，该策略不会降低每一层的机械性能，并提高复合马氏体钢的强度和延展性。相关研究成果以题“Making composite steel higher strength and higher ductility via introducing carbon diffusion strategy”发表在国际著名期刊Materials Research Letters上。论文链接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2021.1953629
图 1.盒子中的堆叠结构（a），整体钢（b 和 c）和复合钢（d-g）的微观结构。马氏体钢（b）和哈德菲尔德钢（c），复合钢（d）的光学观察，以及马氏体层（e）、界面区（f）和哈德菲尔德层的TEM显微组织，与标有A的正方形区域一致， B 和 C 中的 d。总之，尽管哈德菲尔德层为马氏体贡献了 20% 的碳，但仍保留了它的高应变硬化能力。这一点对于本研究中元素扩散策略的成功具有战略意义。首先，哈德菲尔德层的初始硬化率与整体钢相当。根据元素分布结果（图 2（a）），两层之间存在过渡层（约20μm厚），其厚度根据硬度分布增加到约45μm（图 4）。该结果表明复合钢由哈德菲尔德层、马氏体层和梯度层组成。几项关于梯度结构的有趣研究表明，在细晶粒和粗晶粒之间的界面处产生的应力不相容性可能导致应变梯度，这将通过梯度区域中的几何必要位错 (GND) 来适应 。图 2. EMPA 结果关于相邻层（a 和 c）之间合金元素的含量以及使用 Thermal Calc 软件（b）计算的碳活性。这种新工艺产生的机械性能及其与参考整体钢的比较如图3 (a) 所示。不仅均匀延展性和总延展性分别提高了 190% 和 40%；与经过相同热加工工艺处理的整体马氏体钢相比，屈服强度和极限抗拉强度显著提高。复合钢的应变硬化率较高，如图3(b), 应负责增加的机械性能。这种复合钢的强度和伸长率也高于在热轧元素扩散后没有最后 5 分钟打孔工艺的钢。该结果直接表明引入碳扩散策略可以同时提高高强复合钢的强度和延展性。图 3.复合钢和参考整体钢的工程应力-应变曲线 (a) 和相应的应变-硬化速率-应变曲线 (b)。注：UD、TD、UTS 和 YS 分别表示均匀延展性、总延展性、极限抗拉强度和屈服强度。图 4.复合钢的硬度演变及其与整体钢（a、c 和 d）的比较以及马氏体层中残余奥氏体的体积分数（b）。总之，本文提出了一种元素扩散策略，并证明其有效打破了马氏体复合钢强度和延展性之间的权衡关系，强度和延展性分别提高了 9.5% 和 40%。制造了具有分布在相邻层之间的梯度过渡层的多层结构。尽管失去了一些对优异机械性能至关重要的碳原子，但仍保留了哈德菲尔德层的高应变硬化率。所提出的策略是一个通用的概念，也可以选择其他轻元素，如氮。
页面更新：2024-04-30
标签：延展性 轻元素 燕山 强度 奥氏体 层状 晶粒 策略 抗拉强度 梯度 机械性能 残余 应变 均匀 元素 结构 大学 马氏体
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图 1.盒子中的堆叠结构（a），整体钢（b 和 c）和复合钢（d-g）的微观结构。马氏体钢（b）和哈德菲尔德钢（c），复合钢（d）的光学观察，以及马氏体层（e）、界面区（f）和哈德菲尔德层的TEM显微组织，与标有A的正方形区域一致， B 和 C 中的 d。
图 2. EMPA 结果关于相邻层（a 和 c）之间合金元素的含量以及使用 Thermal Calc 软件（b）计算的碳活性。
图 3.复合钢和参考整体钢的工程应力-应变曲线 (a) 和相应的应变-硬化速率-应变曲线 (b)。注：UD、TD、UTS 和 YS 分别表示均匀延展性、总延展性、极限抗拉强度和屈服强度。
图 4.复合钢的硬度演变及其与整体钢（a、c 和 d）的比较以及马氏体层中残余奥氏体的体积分数（b）。
