《Scripta Materialia》：新策略！納米粒子增強高性能高彈性模量鋼
2021-06-10 15:03:16
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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鋼是最重要的結構材料，因為它資源豐富，成本較低，并且具有范圍最廣的強度和延性組合。由于鐵（Fe）的密度與其他輕質合金（例如Al、Mg）相比較高，鋼的比強度（YS/ρ和UTS/ρ）通常處于劣勢，而剛度是相似的。通過先進的合金化和微結構工程，鋼的特殊強度可以顯著提高，達到或超過先進輕合金的水平。但是，用于提高比強度的策略對鋼的楊氏模量（190-210 GPa）沒有顯著影響，比剛度大約為24-26 GPa·cm3/g，因此，高強度鋼制成薄壁部件時無法抵抗較小的變形，例如彎曲撓曲。通過結合剛性和輕質陶瓷相，可以同時提高鋼的比強度和比剛度（例如加入二硼化鈦TiB2），但是基于Fe-TiB2復合材料制備高模量鋼（HMS）存在著增強的機械性能和主流生產制造之間權衡的一大難題。
來自美國加利福尼亞大學、北京科技大學等單位的研究人員提出了新的概念，使用低體積分數的納米顆粒（TiB2）生產高性能高模量鋼（HMS），研究納米處理的Fe-Ti-BHMS的微觀結構，相較于傳統(tǒng)HMS力學性能更高，屈服強度達510MPa，抗拉強度達950MPa，同時保持高楊氏模量、低密度和延展性，滿足大規(guī)模生產條件。相關論文以題為“Nano particle enabled high performance high modulus steels”發(fā)表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113954
本文通過熔融鹽混合物將少量異質形核劑TiB2納米顆粒（7.35%-12%）加入到共晶Fe-5.53Ti-2.29B中，此過程稱為納米處理（NT），而后以小于5K/s的冷卻速率緩慢凝固（接近平衡凝固）。冷卻后將鑄錠在1050℃鍛造成矩形棒，后進行爐冷以消除殘余應力。
圖1 （a）傳統(tǒng)鑄造HMS的SEM圖；（b）NT HMS的SEM圖；（c）NT HMS中Fe2B薄片放大圖；（d）NT HMS的熱加工后Fe2B顆粒圖；（e）Fe2B片層和TiB2之間EBSD圖；（f）熱加工后TiB2和Fe2B形態(tài)變化
圖2 NT HMS和RHMS的HAADF-STEM圖
圖3 過共晶HMS凝固過程中的相演變示意圖和計算的相圖結果
研究發(fā)現(xiàn)納米處理的合金具有更細小的TiB2顆粒，還發(fā)現(xiàn)超細Fe2B薄片出現(xiàn)在鐵基體中，而Fe2B通常被認為是有害相，在HMS中由于脆化作用、較低的比剛度和較弱的強化效果而不被看好。因此在最初的試驗中通過添加過量的Ti抑制Fe2B形成，經過納米處理后發(fā)現(xiàn)有過量的Ti，F(xiàn)e2B仍存在。經過分析得知，異質TiB2納米顆粒會引起意外的凝固途徑，從而形成異常的相態(tài)，進而導致細微的TiB2顆粒嵌入納米級的Fe2Ti，在熔體中，主要的TiB2團簇之間留有貧Ti區(qū)域，以允許形成超細的Fe2B薄片，經過熱加工薄片破碎成納米級Fe2B顆粒，在HMS中提供良好的強化作用。
圖4 經不同處理HMS的性能結果
本文提出了一種新型納米粒子誘導的HMS結構，使用少量TiB2作為異質形核劑，主要是TiB2顆粒與Fe2Ti具有共格界面，其次鐵基體變得貧Ti，促進了Fe2B薄片的形成，熱加工后變?yōu)轭w粒，保持了高楊氏模量（251GPa）和比剛度（34 GPa·cm3/g），同時實現(xiàn)了高力學性能。這種方法為生產HMS提供了一種創(chuàng)新途徑，未來有望應用于其他合金系統(tǒng)。（文：破風）
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