北科大毛新平院士團(tuán)隊(duì)：高密度晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒大幅提升低密度鋼比強(qiáng)度和塑性

第一作者：耿笑笑

通訊作者：高軍恒，黃禹赫，汪水澤，趙海濤

通訊單位：北京科技大學(xué)

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.12.013

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本研究通過(guò)簡(jiǎn)單的固溶、冷軋和退火工藝，在Fe-26Mn-11Al-0.9C-5Ni低密度鋼中成功在完全再結(jié)晶的細(xì)奧氏體晶粒內(nèi)引入高密度納米級(jí)B2顆粒。相較于傳統(tǒng)晶界析出強(qiáng)化低密度鋼，該材料實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度-塑性協(xié)同提升：屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別由768MPa和1100MPa提高至954MPa和1337MPa，同時(shí)塑性由38%提升至50%。其高屈服強(qiáng)度主要源于晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒強(qiáng)化與晶粒細(xì)化的協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)；優(yōu)異塑性和高的加工硬化能力則歸因于晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒導(dǎo)致的強(qiáng)位錯(cuò)儲(chǔ)存能力及動(dòng)態(tài)滑移帶細(xì)化強(qiáng)化效應(yīng)。

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研究背景

開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、大塑性和低密度的鋼材對(duì)解決輕量化運(yùn)輸、安全基礎(chǔ)設(shè)施和先進(jìn)能源應(yīng)用等領(lǐng)域輕量化和安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要。Fe-Mn-Al-C-Ni低密度鋼具有較高比強(qiáng)度和較低密度，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｅc傳統(tǒng)鋼材相比，引入大量Al可減重高達(dá)17%。相關(guān)研究表明，汽車重量每降低10%，油耗可降低6%或續(xù)航提升14%。為提高比強(qiáng)度，需增加Al的含量，不可避免的增大B2相的體積分?jǐn)?shù)。然而，由于B2金屬間化合物本質(zhì)上的脆性，晶界處B2顆粒的比例和尺寸的增大會(huì)顯著惡化鋼的塑性。這種比強(qiáng)度和塑性的倒置關(guān)系限制了其在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。當(dāng)前研究主要通過(guò)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)以協(xié)同提升低密度鋼的比強(qiáng)度和塑性。例如，An等人通過(guò)優(yōu)化退火工藝在Fe-28.3Mn-11.1Al-1.1C-4.5Ni低密度鋼中調(diào)控出部分再結(jié)晶奧氏體，分布在再結(jié)晶奧氏體晶界處的B2顆粒（約280 nm）以及未再結(jié)晶奧氏體晶粒內(nèi)B2納米顆粒（約50 nm）。與僅具有分布在晶界處B2顆粒（約910 nm）的鋼相比，該鋼的比抗拉強(qiáng)度從182增加到257 MPa g cm-3，但塑性從38%降低到15%。Hwang等人對(duì)Fe-21Mn-10Al-1C-5Ni鋼進(jìn)行退火和后續(xù)時(shí)效處理，借助κ碳化物析出將鋼的比抗拉強(qiáng)度從202增加到219 MPa g cm-3，但塑性從35%降低到30%。我們前期工作構(gòu)建了具有雙峰晶粒尺寸分布的奧氏體、層狀B2帶、分布在晶界的B2顆粒以及未再結(jié)晶奧氏體晶粒內(nèi)的納米級(jí)B2顆粒的多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，與具有粗大B2帶和分布在晶界的B2顆粒的鋼相比，該鋼的比屈服強(qiáng)度從162增加到201 MPa g cm-3，且沒(méi)有明顯的塑性損失（42%和39.3%）。此外，實(shí)現(xiàn)細(xì)小B2顆粒在再結(jié)晶奧氏體內(nèi)的均勻析出被認(rèn)為是突破強(qiáng)塑性倒置的最有效策略之一，但在高鋁鋼中仍極具挑戰(zhàn)。

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本文亮點(diǎn)

（1）通過(guò)簡(jiǎn)單的固溶、冷軋和退火工藝，可以在低密度鋼完全再結(jié)晶奧氏體中引入大量納米級(jí)B2顆粒。

（2）含有大量晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒的低密度鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性以及持續(xù)較高的加工硬化率。

（3）高屈服強(qiáng)度是由于晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒強(qiáng)化以及晶粒細(xì)化的協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)。

（4）大塑性和高加工硬化能力歸因于晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒導(dǎo)致的強(qiáng)位錯(cuò)儲(chǔ)存能力及動(dòng)態(tài)滑移帶細(xì)化強(qiáng)化效應(yīng)。

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圖文解析

圖1 A15和A40的X射線衍射圖

圖2 A15和A40的EBSD分析。(a，b) A15的EBSD相圖、SEM圖，展示奧氏體和B2顆粒的形貌。（c） A15中奧氏體和B2顆粒的晶粒尺寸分布。(d，e) A40的EBSD相圖、SEM圖，展示奧氏體和B2顆粒的形貌。（f） A40中奧氏體和B2顆粒的晶粒尺寸分布。

圖3 A15中B2顆粒的TEM表征。（a）TEM明場(chǎng)像展示奧氏體晶粒內(nèi)部B2顆粒的形貌及分布。插圖顯示了P2顆粒沿[111]B2帶軸的電子衍射斑。（b）圖3(a)中沿黃色箭頭所示方向的TEM-EDS線性剖面數(shù)據(jù)展示了B2顆粒中Al、Ni、Fe和Mn等元素的分布情況。

圖4 A15和A40的拉伸性能。（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）真應(yīng)力-相應(yīng)的加工硬化率和真應(yīng)變曲線

圖5 不同拉伸應(yīng)變下A15和A40中奧氏體和B2顆粒的KAM值演變。A15在2%應(yīng)變下的奧氏體（a1）和B2相（a2）的KAM圖。A40在2%應(yīng)變下的奧氏體（a3）和B2相（a4）的KAM圖。A15在7%應(yīng)變下的奧氏體（b1）和B2相（b2）的KAM圖。A40在7%應(yīng)變下的奧氏體（b3）和B2相（b4）的KAM圖。A15在30%應(yīng)變下的奧氏體（c1）和B2相（c2）的KAM圖。A40在30%應(yīng)變下的奧氏體（c3）和B2相（c4）的KAM圖。

圖6 不同拉伸應(yīng)變下A15和A40的形變顯微組織分析。（a，b）應(yīng)變2%時(shí)A15和A40的明場(chǎng)TEM圖像。（c，d）應(yīng)變7%時(shí)A15和A40的明場(chǎng)TEM圖像。（e，f）應(yīng)變30%時(shí)A15和A40的明場(chǎng)TEM圖像。紅色箭頭突出顯示了奧氏體/P2界面的位錯(cuò)堆積，藍(lán)色箭頭突出顯示了奧氏體/P1界面的位錯(cuò)堆積。

圖7 A15在1050°C下退火1min（a）和3min（b）的EBSD相圖。

圖8 不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)A15和A40的貢獻(xiàn)及計(jì)算的屈服強(qiáng)度（Cal.σYS）

圖9 A15和A40中變形亞結(jié)構(gòu)的演變示意圖。

圖10 A15與Fe-Mn-Al-C低密度鋼[2，8，51-60]、Fe-Mn-Al-C-X鋼（X分別為Ni[11，29-32]、Cr[55]、Cu[51，56]、Mo[61]和Nb[62，63]）、熱成形硼鋼[64]、Ti6Al4V[65-68]以及高強(qiáng)度鋁合金[69-71]的拉伸性能（SUTS-TE及SUTS-UTS?TE）的對(duì)比。

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總結(jié)與展望

本研究成功開(kāi)發(fā)了一種Fe-26Mn-11Al-0.9C-5Ni低密度鋼，其組織特征為完全再結(jié)晶的奧氏體晶粒中均勻分布大量納米級(jí)B2顆粒。晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒的形成機(jī)制可歸因于再結(jié)晶初期超細(xì)奧氏體晶粒具有很強(qiáng)的晶粒生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，促使晶界遷移越過(guò)初始分布在晶界的細(xì)小B2顆粒，從而使B2顆粒從晶界演變到晶內(nèi)。隨退火時(shí)間延長(zhǎng)至15 min，晶粒生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力降低，同時(shí)超細(xì)B2顆粒的釘扎效應(yīng)延緩了晶粒粗化，最終形成具有晶內(nèi)超細(xì)B2顆粒的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。與僅含晶間B2顆粒的鋼相比，該鋼具有更優(yōu)異的強(qiáng)塑性及加工硬化能力。其高屈服強(qiáng)度源于細(xì)晶強(qiáng)化和晶內(nèi)B2納米顆粒的第二相強(qiáng)化效應(yīng)。晶內(nèi)B2納米顆粒增強(qiáng)了位錯(cuò)儲(chǔ)存能力，并通過(guò)動(dòng)態(tài)滑移帶細(xì)化機(jī)制進(jìn)一步提高加工硬化能力，從而獲得大塑性。此外，高密度的晶內(nèi)納米級(jí)B2顆粒不僅能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，還能有助于協(xié)調(diào)鋼的整體塑性變形，維持持續(xù)較高的加工硬化能力。本研究結(jié)果表明，在完全再結(jié)晶低密度鋼中引入大量納米級(jí)B2顆粒，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與大塑性協(xié)同提升的輕量化鋼材提供了一種有效的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。

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作者介紹

毛新平院士團(tuán)隊(duì)主要從事先進(jìn)鋼鐵材料的前沿設(shè)計(jì)方法、低碳制備關(guān)鍵技術(shù)、強(qiáng)韌化機(jī)理與產(chǎn)品研發(fā)和先進(jìn)鋼鐵材料的服役性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用技術(shù)等方面的研究工作。近年來(lái)主持多項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目及企業(yè)合作項(xiàng)目，包括變革性低碳鋼鐵制造流程理論與技術(shù)（基金委重大項(xiàng)目）、多項(xiàng)十四五重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目及校企合作項(xiàng)目，并與知名企業(yè)高校合作。與寶武、首鋼、漣鋼等鋼鐵企業(yè)合作，基于薄板坯連鑄連軋流程研制出系列白車身用鋼，其中1500MPa級(jí)熱成形、600-780MPa級(jí)雙相鋼和340-500MPa級(jí)低合金鋼已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用；面向國(guó)家重大橋梁工程建設(shè)需求，研制出系列超高強(qiáng)、耐腐蝕橋梁鋼，在滬蘇通長(zhǎng)江大橋、武漢漢江灣橋、中俄黑河大橋和澳門澳氹四橋上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用示范。

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引用本文

Xiaoxiao Geng, Junheng Gao, Yuhe Huang, Shuize Wang, Haitao Zhao, Honghui Wu, Chaolei Zhang, Xinping Mao, Copious intragranular B2 nanoprecipitation mediated high strength and large ductility in a fully recrystallized ultralight steel, J. Mater. Sci. Technol. 226 (2025) 76-85

本文來(lái)自“材料科學(xué)與技術(shù)JMST”。