人們對高強度和低密度鋼的需求不斷增長，本文開發(fā)了一種在強度和延展性良好的基礎(chǔ)上加工硬化率較高的輕質(zhì)鋼，具有獨特微觀組織，最終顯示出超高屈服強度（1.6GPa）和良好的延展性（總延伸率20％）的優(yōu)良組合，這種鋼更加符合節(jié)能環(huán)保的理念，有望進(jìn)一步擴展鋼材的應(yīng)用范圍。

現(xiàn)階段人們對高強度和低密度鋼的需求不斷增長，這種鋼可以用作輕型建筑中（特別是在運輸系統(tǒng)中）的節(jié)能環(huán)保型結(jié)構(gòu)材料。眾所周知，在鋼中添加Al會降低其密度，因此，F(xiàn)e-Mn-Al-C鋼由于其具有較高的機械性能以及較低的密度而受到廣泛的關(guān)注。在不同類型的輕質(zhì)鋼中，主要區(qū)別是組成相（即鐵素體，奧氏體或雙相鋼）的不同。在奧氏體晶粒內(nèi)由納米級κ-碳化物顆粒強化的奧氏體輕質(zhì)鋼，具有較高的比強度和良好的延展性。奧氏體-鐵素體雙相輕質(zhì)鋼也顯示出屈服強度和延展性的良好組合，但其屈服強度低于奧氏體鋼。這些鋼（特別是κ硬質(zhì)合金強化的奧氏體鋼）通常表現(xiàn)出較低的加工硬化率，所以需要開發(fā)出一種在強度和延展性良好的基礎(chǔ)上加工硬化率較高的輕質(zhì)鋼。

韓國浦項科技大學(xué)的一項研究新設(shè)計了Fe-21Mn-10Al-1C-5Ni（wt％）輕質(zhì)鋼在兩種退火條件下（誘導(dǎo)部分再結(jié)晶和完全再結(jié)晶）以及時效處理后的組織演變和拉伸性能。相關(guān)論文于以題為“Improvement of strength – ductility balance of B2-strengthened lightweight steel”近日發(fā)表在金屬領(lǐng)域頂級期刊Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.022

在退火狀態(tài)下，鋼的顯微組織由沿著奧氏體晶界的多邊形B2顆粒、未再結(jié)晶奧氏體晶粒內(nèi)的板狀B2顆粒組成，并沒有形成B2帶狀組織。通過適當(dāng)控制奧氏體穩(wěn)定元素（Mn和C）的含量可以調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)。在退火過程中會形成B2顆粒（尺寸小于500 nm），而不是B2帶，它們表現(xiàn)為再結(jié)晶奧氏體晶界處的多邊形顆?；蛭丛俳Y(jié)晶奧氏體中的板狀顆粒。隨后在550℃進(jìn)行10分鐘的時效處理對退火后的微觀結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，只是分別促進(jìn)了納米尺寸κ-碳化物和D03粒子在奧氏體晶粒和B2粒子中的析出，顆粒尺寸增加至4 nm左右。

本文開發(fā)出的輕質(zhì)鋼具有獨特微觀組織，由含有納米級κ-碳化物的再結(jié)晶奧氏體，含有B2粒子和納米級κ碳化物的未再結(jié)晶奧氏體，以及含有納米級D03顆粒的晶界B2粒子組成。該輕質(zhì)鋼具有的優(yōu)異強度，退火條件下的屈服強度為1.2-1.4GPa，總伸長率為24-35％。時效處理可進(jìn)一步提高退火試樣的強度（提升約154-183MPa），而不會顯著降低延展性（下降約4-5％）。

圖1 退火后試樣的顯微組織

圖2 退火狀態(tài)下的奧氏體和B2的區(qū)域軸SADP和區(qū)域軸HRTEM圖像

圖3 時效后的顯微組織與對應(yīng)取向關(guān)系

圖4奧氏體與B2經(jīng)不同應(yīng)變后的變形微觀組織

圖5 不同鋼之間的性能比較

圖6 不同鋼之間的加工硬化率比較

總的來說，本研究的鋼最終顯示出超高屈服強度（1.6GPa）和良好的延展性（總延伸率20％）的優(yōu)良組合，超過了其他B2和κ-碳化物強化的輕質(zhì)鋼。顯微硬度測試結(jié)果表明，由于時效而增加的強度是由于奧氏體和B2中κ-碳化物和D03納米顆粒的析出增加所致。另外，在如此超高強度水平下，本發(fā)明鋼的良好延展性主要與抑制不良的微結(jié)構(gòu)特征的形成有關(guān)，例如在其他輕質(zhì)鋼中觀察到的粗大的B2帶以及粗大的相間/晶間B2和κ-碳化物顆粒，導(dǎo)致時效后延展性較差。本文開發(fā)的輕質(zhì)鋼更加符合節(jié)能環(huán)保的理念，有望進(jìn)一步擴展鋼材的應(yīng)用范圍。