華北理工大學《JMST》：強度800MPa！延伸率21.7%！緩解局部應力集中實現(xiàn)高強度、高韌性仿生鋼！
2024-03-05 13:26:28
作者：材料學網(wǎng) 來源：材料學網(wǎng)
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工程材料中一個微小的結(jié)構(gòu)缺陷都可能帶來相當大的局部應力集中，從而可能導致災難性的破壞，造成重大的生命和財產(chǎn)損失。因此，有效緩解局部應力集中是材料設計中的一項重要任務。在金屬材料的成分設計和冶金生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會形成與基體彈性模量有顯著差異的夾雜物或次生相。當外部應力導致位錯移動時，位錯往往會聚集在高能位置，形成一些微孔（裂紋源）。微孔處存在三向應力集中，通常會在應力作用下擴展并合并成凹陷或微裂紋。Wang 和 Zhang發(fā)現(xiàn)微裂紋的尖端容易引起局部應力集中，裂紋沿晶界或在晶粒內(nèi)逐漸擴展。由于缺陷能量較高，晶界更容易被撕裂，從而形成斷裂面。為了延緩晶界和晶粒內(nèi)部的失效，Yan 等人采用循環(huán)應變模式在鎂合金中設計了合理數(shù)量的晶界和孿晶界。雖然這在一定程度上平衡了材料的強度和塑性，但抑制應力集中和裂紋擴展的效果并不顯著。Huang 等人提出了位錯工程理論，通過在高強度馬氏體中積累超高密度的位錯，可以緩解應力集中并改善材料塑性。馬氏體中積累超高密度的位錯，從而緩解應力集中并改善材料塑性。然而，這種方法對材料的強度和位錯的最大容量要求過高，而且需要突然激活位錯。我們在以往的研究中發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，即當存在多個次生相時，相鄰應力場會帶來相互促進的耦合強化，而強化效果與次生相的分布和形態(tài)有關。目前，關于如何充分利用第二相的強化效應來緩解金屬材料應力集中的研究仍處于早期階段。 近年來，仿生工程 已成為材料設計中一種前景廣闊的方法。在材料設計中大有可為。Wu 等人從螳螂蝦的身體結(jié)構(gòu)中汲取靈感，設計出一種仿生微結(jié)構(gòu)，顯著提高了材料的吸能性能。同樣，Shi 等人開發(fā)了一種仿生魚骨狀微結(jié)構(gòu)，以限制裂紋擴展路徑。目前已開發(fā)出多種仿生結(jié)構(gòu)，如仿蜂窩結(jié)構(gòu)、仿軟體動物結(jié)構(gòu)、仿投手植物結(jié)構(gòu)、仿鯊魚盾鱗結(jié)構(gòu)等。然而，這些仿生項目仍處于早期階段，需要進一步開發(fā)才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。關鍵是要開發(fā)出與冶金鋼鐵工業(yè)現(xiàn)有設備兼容的新型仿生金屬材料加工技術(shù)。竹纖維的天然結(jié)構(gòu)由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，表現(xiàn)出復合、多相和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點。纖維束由不同長度的實質(zhì)細胞形成。纖維壁呈現(xiàn)異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，從外層到內(nèi)層的厚度各不相同。竹子的這種纖維異質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于提高其強度和韌性。受天然竹子結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們開發(fā)了一種具有模仿竹纖維的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的中碳鋼，利用多種強化機制。利用異質(zhì)邊界和膠結(jié)物的耦合構(gòu)建點線拓撲結(jié)構(gòu)，有效傳遞應力并緩解應力集中，從而在保持優(yōu)異塑性的同時顯著提高屈服強度。有關此課題，華北理工大學聯(lián)合悉尼大學廖曉舟教授進行了深入研究，相關研究成果以“Strong yet ductile bionic steel by mitigating local stress concentration function”發(fā)表在“Journal of Materials Science & Technology”上 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224001774?via%3Dihub圖 1. 初始普通碳鋼（a）和預處理后（b）的微觀結(jié)構(gòu)。圖 2. 熱軋和退火后假共晶樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能 軋制和退火后的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能。(a)天然竹纖維結(jié)構(gòu)圖。(b-d）分別是在 550、600 和 650 °C 下軋制的樣品。其中 F 代表鐵素體，PF 代表原共晶鐵素體，EF 代表共晶鐵素體、 θ 代表膠合鐵素體曲線，（f）屈服強度-均勻伸長率比較。軋制方向稱為 RD，與軋制工具接觸表面的法線方向稱為 ND，而 TD 表示與其余兩個方向垂直的方向。 圖 3. 仿生鋼在軋制和退火過程中的鐵素體晶粒尺寸信息（a-c）和取向差演變（d-f）。圖 4. 竹纖維復合材料中碳素結(jié)構(gòu)鋼的精細表征和結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計。(a) TEM 發(fā)現(xiàn)樣品的微觀結(jié)構(gòu)中存在大量位錯，且雪明碳酸鹽已明顯球化。(b) TEM 觀察結(jié)果表明，大尺寸的雪明碳酸鹽很容易聚集在晶界處，從而對晶界產(chǎn)生針刺效應。對晶界產(chǎn)生了釘扎作用。(c、d）通過 TEM 觀察到，鐵素體晶粒內(nèi)部析出了納米級的雪明碳酸鹽。在 A-600 樣品的鐵素體晶粒內(nèi)部析出，而其他位置上的雪明碳酸鹽尺寸較大（c），形成了多尺度的雪明碳酸鹽分布特征，而且雪明碳酸鹽的分布更為分散（d）。(e) 用金屬材料線性強化理論分別量化了奧羅旺強化機制（σC）、晶界強化機制（σGB）、位錯強化機制（σdis）和 HDI 強化機制（σHDI）對屈服強度（YS）的貢獻。(f) 利用 TEM、Image Pro 和 EBSD 計算雪明碳酸鹽的面積分數(shù)和平均直徑，發(fā)現(xiàn)雪明碳酸鹽的分布 (
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