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新型層片含鋁雙相鋼的制備及其優異力學性能

2017/03/15 14:14:00  來源:張明達    閱讀:

      鋼鐵材料強韌力學性能的提升是國內外結構鋼科研人員的主要研發方向之一。傳統形變強化、細晶強化、固溶強化、相變強化等強化手段可以明顯提高鋼鐵材料的強度力學性能。已有高韌性奧氏體鋼則主要通過奧氏體相中位錯的交滑移的特性來降低由位錯面滑移引起的微區應力集中,提高鋼中裂紋尖端微區變形能力,進而明顯提高韌性。通常鋼鐵材料的韌性性能隨著強度的提高而降低,同時獲得高強度和高韌性在鋼鐵材料中較難實現。除了傳統合金化和細晶化的強韌化思路以外,借鑒復合材料構造層片狀復合結構來獲得高強度和高韌性的方法也在鋼鐵材料中嘗試和實踐。

      在對中錳鋼和含鋁低密度鋼等汽車鋼的研究過程中發現,中高鋁含量的Fe-Mn-Al-C合金體系中可以獲得類似層片狀特征組織。首先使用熱力學計算軟件Thermal-Calc對低碳中錳中鋁合金體系進行系統評估,合成并繪制適用于低碳中錳中鋁合金體系的類Schaeffler相圖。結合類Schaeffler相圖對該合金體系進行高溫兩相區合金成分設計和較大壓下量熱軋工藝設計,通過簡單的方法成功制備具有層片狀鐵素體+馬氏體的雙相特征組織的一系列新型結構鋼。層片雙相特征組織在軋面無規則取向,沿厚度方向呈現兩相組織均勻交替平行排列,類似于層狀金屬復合材料。



  


1層片熱軋雙相鋼的制備和三維組織表征


 

  新型層片結構鋼充分地發揮了類似層狀金屬復合材料的高軋面沖擊韌性(L-S方向)特點,同時兼備較高的強度和良好的塑性。多個批次實驗鋼的微觀組織結果顯示,層片雙相鋼中鐵素體相和馬氏體相的相體積分數由奧氏體相形成元素碳和錳與鐵素體相形成元素鋁的含量比例控制,而層片組織的密集程度由熱軋工藝的溫度和壓下量控制,采用更大的熱軋壓下量和較低的軋制溫度有助于獲得更為均勻密集的層片狀特征組織。

    制備的新型微米級層片狀鐵素體和馬氏體雙相鋼表現出高強度和高軋面(L-S方向)沖擊韌性的優異力學性能特點,可以獲得高達1200MPa抗拉強度/400J軋面沖擊韌性或者1450MPa抗拉強度/200J軋面沖擊韌性的優異力學性能,超過絕大部分鋼鐵結構材料的強韌性。



 


2層片熱軋雙相鋼軋面(L-S方向)沖擊韌性與抗拉強度變化關系不同馬氏體相體積分數(左圖)和不同熱軋工藝制度(右圖)

   

    在大量微觀組織觀察、力學行為評估、斷口和裂紋分析的基礎上,論證了層片熱軋雙相鋼的高強高韌性能機制。認為具有較大馬氏體相體積分數的層片雙相鋼通過層片特征組織的弱應變配分行為充分發揮較大體積分數馬氏體相的強化作用,從而整體上獲得較高強度力學性能。沿厚度方向均勻排列的較軟鐵素體相和較硬馬氏體相層片雙相組織對沿厚度方向裂紋擴展具有明顯的阻止和導向作用,通過增加裂紋表面積和引入更多的塑性變形增大塑性變形區,進而明顯提高L-S方向試樣在沖擊載荷和彎曲載荷過程中的韌性性能。

   在低碳中錳中鋁合金體系中通過兩相區合金成分設計和簡單熱軋工藝設計獲得微米級層片狀特征組織可以同時獲得高強度和特定方向的高韌性力學性能,為鋼鐵結構材料的高強高韌力學性能探索提供了新的研究思路。

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