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    科技新進展提綱:晶界分層開裂實現超高強鋼增韌

    ?????? ???????發布時間:2020-05-28


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    一、研究的背景與問題

    為滿足可持續性發展的要求,全球工業界一直致力于開發及應用高強高韌的輕質、低成本新型結構材料。然而,材料的強度(承載能力)和韌性(抗斷裂能力)往往是兩者不可兼得。材料強度的提升往往會降低其韌性,導致材料脆性增加,阻礙其工業應用。

        通常來講,結構材料的硬化是通過引入大量不同尺度的缺陷來阻礙位錯滑移實現的。然而,局部區域的位錯纏結會造成應力集中,可引起裂紋萌生并最終導材料的突然斷裂和提前失效。長期以來,材料科學家們致力于通過調控微觀組織或合金成分來實現強度與韌性的平衡。多元高、中熵合金由于形變誘發的納米孿晶機制在低溫條件下具有良好的抗斷裂能力。航空航天用馬氏體時效鋼是目前公認的擁有較好斷裂韌性的超高強金屬材料。然而,馬氏體時效鋼含有大量昂貴的合金元素,例如鎳(17-19wt%),鈷(8-12 wt%)和鉬(3-5wt%)。盡管合金化可有效提高結構材料的力學性能,但由于成本和環境問題,合金化并不適用于經濟化的大規模生產。晶粒細化是一種可以同時提高強度和韌性的非合金化方法。然而,晶粒細化會極大的降低材料的塑性。上述研究均無法開發具有延展性,抗斷裂性和低成本的超高強度鋼。因此,發展超高強度同時兼備優良塑性與韌性的結構材料,一直是材料科學家及工程師過去幾十年間希望解決的世界級科學難題。尤其是當屈服強度進入2GPa的超高范疇時,進一步改善材料韌性的難度成倍增加。

    二、解決問題的技術思路

    基于斷裂力學的理論,系統地評估了超高強鋼的斷裂韌性并分析了相關韌化機制。值得注意的是,斷裂韌性是描述材料抵抗裂紋擴展和斷裂的能力,直接決定了材料的應用價值。然而,斷裂韌性無法由普通靜態單向拉伸實驗準確評估。斷裂機理/韌化機制反應了在裂紋尖端特定組織結構處發生的獨特的裂紋萌生和擴展過程。這與拉伸實驗描述的塑性變形完全不同。因此,該項研究利用拉伸實驗結合J積分抗斷裂曲線,系統研究高強材料的斷裂行為。

    該研究所用材料為低成本中錳鋼,其化學成分為:Fe-9.95%Mn-0.44%C-1.87%Al-0.67%V(質量百分比),并由先進材料加工工藝變形及配分deformed and partitioned, D&P)方法制備(圖1(1)。D&P工藝利用位錯工程設計理念,通過軋制結合熱處理提高材料的位錯密度以同時獲得高強度和良好的延展性。

     

    三、主要創新性進展

    中錳鋼經過變形和配分工藝處理后,獲得了沿軋制方向拉長的馬氏體/奧氏體雙相層狀組織(圖2)。由中子衍射測定的奧氏體體積分數為47.5%。由于變形處理(包括熱軋、溫軋和冷軋),D&P鋼具有極高的位錯密度。利用中子衍射測定馬氏體基體的位錯密度為2.43´106m2,至少比其他馬氏體鋼的位錯密度高一個數量級。特別要注意的是,原奧氏體晶粒邊界(PAGBs)被保留在組織結構中。通過三維原子探針(APT)D&P鋼原子尺度組織結構的進一步分析,可以發現MnCPAGB上的偏析(圖2)。這種錳富集PAGB將對D&P鋼的力學性能產生極大的影響。

     

    為了評價D&P鋼的力學性能,研究者測試了高強D&P鋼在RDTD兩個方向上的拉伸性能和J積分抗斷裂曲線 (圖3)。對于RD(TD) 單向拉伸試樣,其拉伸方向沿著(或垂直于)拉長的奧氏體晶粒(3A)。相應的,對于 RD(TD) 斷裂測試用緊湊拉伸C(T)試樣,其缺口和裂紋擴展方向與拉長的奧氏體晶粒垂直(或平行)排列。得益于D&P鋼極高的位錯密度,RD試樣具有很高的強度和塑性。其上屈服強度、抗拉強度和均勻延伸率分別為1978 MPa、2144 MPa19.0%。TD試樣同樣具有很高的強度,其抗拉強度為2048 MPa,與RD試樣相似。然而,TD試樣的塑性變形更早開始,其屈服強度為1714 MPa。

     

    為了闡明D&P鋼超高強度、韌性組合背后的機理,我們對RDTD C(T)試樣不同截面上的微觀結構進行了表征(4AE)。我們利用掃描電鏡(SEM)對斷口表面特征區域進行了表征,發現在RDTD試樣斷口表面均存在大量的分層裂紋(4)。具體地,原本1.4 mm厚的RD試樣沿厚度方向分裂成若干薄層。值得注意的是,RD樣品中的分層裂紋具有不同的尺度,既有貫穿樣品的長裂紋,也有大量長度只有幾微米的細小分層裂紋,使得形成厚度只有幾微米的薄分層帶(3B中的A)。D&P鋼的多尺度分層增韌現象與在其他材料中觀察到的分層現象有很大不同。分層開裂增韌機制同樣在TD試樣中啟動。但與RD試樣相比,TD樣品中的分層裂紋數量較少且長度較短。

    為了闡明D&P鋼中分層開裂增韌的微觀機制,我們在垂直于斷面的剖面上進一步表征了相關組織結構并系統統計分析了開裂裂紋的長度分布(圖4)。RD試樣中的分層裂紋可以分為兩類:長度<50 um的短裂紋(圖4C中的藍色箭頭所示)和長度為≥50 um的長裂紋(圖4C中的深紅色箭頭所示)。此外,在長的分層裂紋附近通??梢杂^察到與斷裂面分離的細長裂紋(圖4C中的粉紅色箭頭所示)。分層裂紋尖端的進一步表征清楚地表明,這些裂紋主要沿PAGB擴展(圖4C)。在TD試樣中,只觀察到長度小于50um的短分層裂紋(圖4G)。顯然,分層開裂增韌在RD試樣中更易啟動。另外,高強高韌D&P鋼的相變誘導塑性(TRIP toughening)也進一步提高了該材料的斷裂韌性(圖4DH)。

     

    啟動分層開裂增韌需要兩個必要條件:在微觀結構上,必須有相對較弱界面以協助開裂;在能量上,必須具有超過弱界面臨界斷裂應力的高機械應力來拉開弱界面。在D&P鋼中,Mn-富集的PAGB依然具備較高的結合強度,但對比于擁有大量位錯的晶粒內部,PAGB的強度由于Mn的偏析而較低(圖2 C)。相反的,無論馬氏體時效鋼的屈服強度有多高,分層開裂增韌都無法在馬氏體鋼中啟動,這是因為馬氏體時效鋼不存在類似于Mn富集的PAGB的具有較低結合能的界面。

    5所示的裂紋萌生斷裂韌性-屈服強度Ashby圖進一步證明了D&P鋼與其他超高強度結構材料對比具有極佳的強度-韌性組合。D&P鋼具有與現時最強的金屬材料-馬氏體時效鋼相當的強度,而其斷裂韌性則高達兩倍。同時,D&P鋼具有與鈦合金同水平的高斷裂韌性,但其強度是鈦合金的兩倍。D&P鋼強度和韌性的完美組合清楚地表明,高屈服強度誘導多尺度分層開裂增韌機制可在有效提高結構材料力學性能的同時,最大限度地降低材料成本。該項研究獲得了力學性能上的巨大躍升,并開創性地提出高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌新機制,打破了傳統認為的提高強度會降低材料斷裂韌性的常識,為發展高強高韌金屬材料提供了新的材料設計思路。此項突破性研究發表于《SCIENCE》雜志上,文章題目為《Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination(2)。

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    四、應用前景

    在工業應用上,高端的鋼材必須具有良好的斷裂韌性以提高材料的耐用性及避免構建提前失效導致意外。該項研究的超強D&P鋼可通過軋制與熱處理等工業界廣泛使用的加工方法制造,無需復雜工序,適合大規模工業化生產與應用。D&P 鋼在高端鋼材要求的高強度、延展性和韌性三個重要指標,均達到史無前例的高水平,目前沒有任何鋼鐵材料能及。D&P 鋼正申請多國專利,并與業界合作,首先在高強橋梁纜索和汽車彈簧等方面制作原型,有望把研發成果工業化和商品化。D&P 鋼具備極大的潛力應用于制造高級防彈衣、高強橋梁纜索、汽車及裝甲運兵車的的輕量化、航空航天領域、建筑領域的高強螺栓和螺母等多方面。

     

    信息來源:香港大學機械工程系黃明欣教授團隊

    References

    1.B. He et al., High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029-1032 (2017).

    2. L. Liu et al., Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination. Science, (2020). DOI: 10.1126/science.aba9413.

     

     

     

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