燕山大学：引入弱化学异质性低合金钢具有更优异力学性能！

发布时间: 2024-09-04 14:44:15 人气：1 来源：产品中心

  强度与延展性的权衡一直是金属长期面临的难题。近年来，研究人员发现化学异质性可以在不降低强度的情况下，有效提升塑性。引入化学异质性后，借助试样中成分分布的不均匀性，对组织中的残余奥氏体进行调控，从而有效提升钢的性能。然而化学异质性对合金元素聚集区的Mn元素含量要求比较高。以往化学异质性的研究主要在中锰钢中，元素聚集区Mn的含量一般大于10 wt.%，使得该聚集区的Ms温度远低于基体，最终在合金元素聚集区得到以残余奥氏体为主的组织形貌。这有助于提高残余奥氏体含量及其机械稳定性，来提升钢的力学性能。然而，在低合金钢中，合金元素含量较低，没办法形成高含量的元素聚集区，是否也能提高钢的性能？基于此，研究人员设计了研究路径。

  本研究通过对低合金钢进行前期预处理，结合快速热处理引入相对较弱的化学异质性，并获得了由多尺度残余奥氏体加超细贝氏体铁素组成的复相组织。其中在合金元素富集区形成了整齐排列的残余奥氏体组织。优化的微观结构使相变诱导塑性 (TRIP) 和各相之间的协调变形行为更加平顺。这使得低合金钢在强度相近的情况下，均匀伸长率和韧性分别提高了28.5% 和9%，证明了作者前期设计思路的准确性。相关的工作以题为“Constructing multi-scale retained austenite make bainitic steel better mechanical properties via introducing weak chemical heterogeneity”的研究论文发表在 Materials Research Letters期刊上。论文的第一作者为博士研究生刘长波，论文的通讯作者为杨志南教授，燕山大学为第一通讯单位。

  图1 引入化学异质性的示意图（a）和得到的具有化学异质性的超细贝氏体组织（b, c）。

  本研究利用快速热处理将初始组织中的化学异质性保留至最终组织中，制备得到了具备弱化学异质性的超细贝氏体，并对组织进行了详细表征。研究之后发现，在低合金钢中弱化学异质性一样能对钢的性能起到非消极作用。由于合金元素Mn和Cr的提高会降低贝氏体相变的自由能差ΔGγ→α，这使得在低合金含量的基体处优先发生贝氏体相变，在合金元素聚集区可以有效抑制贝氏体铁素体的形核和生长。随着相变时间增加，贝氏体铁素体中的碳元素向这些未转变奥氏体扩散。这使得未转变奥氏体的化学稳定性持续不断的增加，相变难度持续不断的增加，最终在这些层片状合金元素富集区更为容易得到残余奥氏体，最终形成了平行排列且宽度较大的薄膜状残余奥氏体。而这些较厚的薄膜状残余奥氏体在块状残余奥氏体和较薄的残余奥氏体之间拥有非常良好的过渡效果，使TRIP效应更平顺。此外，引入弱化学异质性对低合金钢组织的细化，同样对钢综合性能的提升起着重要作用。

  图2 具有弱化学异质性的 LP-350试样的扫描电镜图像（a1），LP-350试样的 TEM 明场图像和选区电子衍射（SAED）图（a2、a3）。合金元素均匀分布的 UB-350试样的扫描电镜图像（b1），UB-350试样的 TEM 明场图像和 SAED 图样（b2、b3）。预处理后 LP试样的 SEM 图像（c1），LP试样的 TEM 明场图像和 SAED 图样（c2, c3）。

  图3. LP-350 样品（a）、LP 样品（b）和直接淬火 LP-0 样品（c）的显微组织和线扫元素分布。

  图4. LP-350和UB-350试样的拉伸曲线（a）和加工硬化曲线（b），归一化力学性能雷达模型图（c），残余奥氏体体积分数与真应变的关系（d），LP-350样品拉伸均匀截面TEM明场像（e），LP-350样品拉伸颈缩区域SEM像（f）。

  综上所述，在低合金钢中引入弱化学异质性后，在强度几乎不变的情况下，钢的均匀延伸率提高了28.5%，冲击韧性提高了9%。与常规化学异质性研究不同，弱化学异质性的引入并未提高钢中残余奥氏体含量及其机械稳定性。强塑性的提高主要得益于残余奥氏体的多尺度分布及超细的结构。本研究用钢中的Mn和Cr的合金元素总含量仅为1.13 wt.%，元素富集程度远低于以往研究中合金元素的总含量和富集程度。因此，在低合金钢中引入弱的化学异质性调控微观组织，同样是提高材料性能的有效途径，具有广泛的应用前景。