msea|西安交大《MSEA》：新工艺获得兼强韧性的层状结构钢！
具有高强度和良好延展性的材料是人类社会的永恒需求 ， 是节能、轻重量结构和车辆的关键 。 近日 ， 来自西安交通大学柳永宁团队 ， 采用两步温轧退火法制备了一种具有双峰晶粒尺寸分布的薄层结构低碳钢板 ， 并研究了其力学性能和强化增韧机理 。 相关论文以题为“A novel process to obtain lamella structured low-carbon steel with bimodal grain size distribution for potentially improving mechanical property”发表在Materials Science and Engineer：A上 。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509320304202
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人类对材料的优异性能的追求 ， 自古以来 ， 从未停息 。 然而 ， 如何生产既有高强度又有良好延展性的金属和合金是一个挑战 。 这是因为一种材料可能或强或韧 ， 但很少同时兼具两者 。 晶粒细化是强化金属和合金最有效的方法之一 ， 而超晶粒金属(UFG)和纳米结构金属的强度可以比传统的粗晶粒金属(CG)强很多倍 。 但是晶粒细化到1μm以下通常会导致加工硬化或均匀延伸的下降 ， 导致UFG钢的低拉伸延展性和塑性不稳定性 ， 这严重限制了其潜在的应用 。
在过去的十年中 ， 为克服钢的延性限制 ， 人们做了大量的工作 ， 并取得了一系列的进展 。 例如：钢中的纳米级颗粒强化、梯度纳米晶组织强化和马氏体相强化 。 此外 ， 设计具有双峰晶粒分布的钢和合金是避免强延性平衡的另一种有效方法 ， 它可以在不降低材料强度的情况下提高材料的延性 。 近年来 ， 也有报道指出 ， 层片状结构(LS)可以显著减轻金属或纳米结构材料的延性退化 。 通过在双相(铁素体/马氏体)和IF钢中引入层状组织 ， 可以提高加工硬化能力 ， 从而获得高强度和良好的延展性 。 通过设计具有双峰晶粒度分布的层状结构纯钛 ， 可显著提高材料的加工硬化能力 ， 使材料具有与超细晶粒金属同等的强度和与粗晶粒金属同等的韧性 。
此外 ， 晶粒细化到UFG水平可以降低钢的韧脆转变温度 ， 但也导致了上限冲击能的降低 。 通过叠层钢的设计 ， 可以显著降低压差 ， 并获得良好的上限冲击能 。 为进一步提高钢的韧性 ， 采用变温法制备了具有伸长铁素体晶粒组织的钢 。 超细拉长的铁素体晶粒组织 ， 具有强的//RD形变织构 ， 促进了脱层断裂 ， 使韧度逆温度依赖 。 通过强力变形UFGs ， 具有与层合材料相似的增韧效果 。
此文中 ， 研究者提出了两步温轧后退火法生产层状结构双峰晶粒尺寸分布（LSBG）钢板 。 研究了其拉伸韧性和冲击韧性 ， 并对其增韧机理进行了探讨 。 非均匀层状结构的特征是在粗晶层状基质中嵌入了平均粒径约为1 μm的超细晶层状结构中 。 与相应的粗晶（CG）试样相比 ， LSBG钢的强度和韧性组合均有提高 ， 但与UFG试样相比 ， 也避免了强度延性的权衡 。 与初始CG钢相比 ， 屈服强度和抗拉强度分别提高了87.4%和35% ， 但延性损失较小 ， 且韧脆转变温度显著降低 ， 从-70℃左右降至- 110℃ 。 强度的提高主要归功于超细晶粒的强化 ， 而合理的延性可以归因于双峰晶粒尺寸和层状组织 ， 因为它们可以通过几何必要的位错在其附近的积累来提高加工硬化率 。 而LSBG钢的增韧主要归功于晶粒细化和层状组织 。
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图1 LSBG钢的制造过程示意图 。 AC：空气冷却；RT：室温 。
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图2 LSBG钢的组织和晶粒分布：(a)、(b)、(c) LSBG钢的组织；(d)UFG分布;(e)粗粒度分布;(f)符合粒度分布 。
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图3 LSBG钢的EBSD图像和反极图形 。
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图4 与UFG、CG、WR-700相比LSBG钢的力学性能和应变硬化 。
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图5 CG钢、LSBG钢和UFG钢在不同测试温度下夏比v形缺口冲击试验后断口形貌的SEM显微图 。
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图6 TEM图像显示LSBG钢中的位错堆积 。
综上所述 ， 研究者提出了两步温轧后退火生产LSBG钢的新方法 。 通过SEM、TEM和EBSD分析了LSBG钢的显微组织 ， 并与UFG和CG钢进行了拉伸性能和冲击性能的对比研究 。 主要结论如下：
1.LSBG钢的非均质层状结构的特征是在粗晶层状基体中嵌入了平均晶粒尺寸约为1.1 μm的超细晶粒层状结构(平均晶粒尺寸约为5.6 μm) 。
2. 与相应的CG钢相比 ， LSBG钢的强度和韧性组合均有所提高 ， 但与UFG钢相比 ， 避免了强度延性的折衷 。
3. 与同等CG试样相比 ， LSBG钢具有更高的上限冲击能和更低的韧脆转变温度(DBTT) 。 （文：水生）
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