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  2. 金屬頂刊《Acta Materialia》設(shè)計(jì)Al-Si涂層!提高高性能鋼的抗彎性和抗氫致退化!
    2022-02-21 13:36:29 作者:材料學(xué)網(wǎng) 來源:材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號(hào) 分享至:

    導(dǎo)讀:熱壓成形(HPF)鋼作為汽車用增強(qiáng)件受到了廣泛的關(guān)注,在本研究中,設(shè)計(jì)Al-Si涂層結(jié)構(gòu)通過提高H擴(kuò)散率來改善可彎曲性。在Al-10%Si鍍液中浸泡和隨后的HPF工藝(930°C 6 min)產(chǎn)生了由Fe2Al5、FeAl和鐵素體層組成的33 μm厚的多層涂層結(jié)構(gòu)。另一方面,隨著浸浴時(shí)間和溫度(950°C for 30 min)的增加,Al-Si黏附量的減少,形成了由FeAl和鐵素體層組成的30?m厚的體心立方(BCC)基涂層結(jié)構(gòu)。bcc基晶體結(jié)構(gòu)、FeAl層中Al含量的降低和鐵素體晶粒的粗化有效地提高了H擴(kuò)散率,抑制了H誘導(dǎo)的降解。此外,軟化FeAl和厚鐵素體層通過允許彎曲變形的大應(yīng)變適應(yīng),提高了彎曲性能。因此,本工作提出了一種優(yōu)化的Al-Si涂層設(shè)計(jì),以提高安全高性能高鐵鋼的抗彎性和抗h致退化性。


    熱壓成形(HPF)是汽車工業(yè)中發(fā)展起來的一種輕質(zhì)超高強(qiáng)度增強(qiáng)件制造技術(shù)。傳統(tǒng)的“22MnB5”HPF鋼通過奧氏體化、高溫壓成形、淬火等工藝制備,獲得了高強(qiáng)度馬氏體組織,拉伸強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到1.5 GPa。彎曲性被認(rèn)為是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn),直接關(guān)系到板材成形性、延遲斷裂和碰撞沖擊性能,廣泛應(yīng)用于這種千兆級(jí)HPF鋼的汽車應(yīng)用。然而,高強(qiáng)度水平和具有高H擴(kuò)散系數(shù)和缺陷密度的體心立方馬氏體(BCC)組織增加了對(duì)氫脆(HE)的敏感性,從而降低了材料的整體力學(xué)性能,包括彎曲性能。


    為防止脫碳或表面氧化,HPF用冷軋鋼板一般鍍鋁硅或鋅。然而,涂層促進(jìn)了高溫高鐵過程中H原子的吸收,使高鐵鋼易受高鐵的影響。例如,Al-Si涂層在900°C以上奧氏體化過程中是熔化的,爐內(nèi)水分提供的H原子很容易通過熔化的Al-Si涂層進(jìn)入鋼基體。這是由于H在熔融Al-Si涂層中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于固態(tài)Fe中的擴(kuò)散系數(shù),而H在Al-Si涂層中的溶解度要低得多。


    在本研究中,韓國(guó)材料科學(xué)研究所通過對(duì)Al-Si涂層進(jìn)行改性,通過提高H的擴(kuò)散率來改善H從鋼基體向涂層的發(fā)射。通過控制涂層和熱處理?xiàng)l件來改變Al-Si涂層的組織和厚度。工業(yè)HPF條件下的Al-Si涂層形成了Fe2Al5、FeAl和α-Fe(Al,Si)鐵素體層的多重結(jié)構(gòu),而本文提出的條件導(dǎo)致了不含F(xiàn)e2Al5的bcc基結(jié)構(gòu)。對(duì)于每一層如何影響H擴(kuò)散行為以及由此產(chǎn)生的HE和薄板彎曲性的研究尚未進(jìn)行。其次,HE通常通過慢應(yīng)變速率試驗(yàn)或恒載試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià),但這些試驗(yàn)不適用于要求較高應(yīng)變速率和高度局部變形的汽車用高性能鋼板。我們的研究結(jié)果提出了一種優(yōu)化的Al-Si涂層設(shè)計(jì),可以提高安全高性能高鐵鋼的抗彎性和抗氫致退化性。相關(guān)研究成果以題“Effects of Al-Si coating structures on bendability and resistance to hydrogen embrittlement in 1.5-GPa-grade hot-press-forming steel”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。


    論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421009393

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    圖1a-c為三種HPF (A93-T、A93-T和A95-T)鋼板表面積的光學(xué)顯微圖。A93-T、A93-T和A95-T板材的Al-Si涂層的平均厚度分別為33、18和30 μm,如藍(lán)色箭頭所示。圖1d-f和圖g-i分別為涂層/基片界面區(qū)域和基片內(nèi)部區(qū)域的光學(xué)顯微圖。所有片材均由不含鐵素體的全馬氏體組成,不論界面或內(nèi)部區(qū)域如何。測(cè)得的奧氏體晶粒尺寸(PAGS)顯示在每張顯微照片中。在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi),所有板材的界面和內(nèi)部區(qū)域的pags幾乎相同。A93-T薄片的平均PAGS(圖1d,g)與A93-T薄片的平均PAGS(圖1e,h)相似。然而,A95-T板材的平均PAGS約為20 μm(圖1f,i),由于奧氏體化溫度較高(950℃)和時(shí)間較長(zhǎng)(30 min), A93-T或A93-T板材的PAGS明顯大于A93-T或A93-T板材。

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    圖1所示。A93-T, A93-T和A95-T鋼板的(a-c)表面,(d-f)涂層/基板界面和(g-i)內(nèi)部基板區(qū)域的光學(xué)顯微圖。所有片材均由全馬氏體組成,在每張顯微圖中都顯示了測(cè)得的先前奧氏體晶粒尺寸(PAGS)。(對(duì)于圖中的顏色參考,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。)

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    圖2所示。(a) A93-T、(b) A93-T和(c) A95-T薄片的Al-Si涂層的EBSD圖像質(zhì)量(IQ)、相位、反極圖(IPF)圖。A93-T涂層由Fe2Al5、FeAl和含Al-Si鐵素體(α-Fe(Al,Si))層組成,而A93-T和A95-T涂層由FeAl和鐵素體層組成。

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    圖3所示。(a) A93-T, (b) A93-T和(c) A95-T涂層的SEM背散射電子(BSE)圖像和能譜(EDS)沿黃線分布的Al、Fe和Si線。鐵素體層中含有大量的Al和Si,而基體中的Al和Si含量幾乎為零,說明鐵素體層被視為涂層的一部分,而不是基體的一部分。(本圖圖例中有關(guān)顏色的參考資料,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。)

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    圖4所示。(a) FeAl和鐵素體層的SEM圖像和(b)綠色FIB樣品區(qū)域的掃描透射電鏡(STEM)圖像。(c - e)表示由(c)至(e)標(biāo)記的三種晶粒的選定區(qū)域衍射(SAD)模式。(為解釋此圖圖例中的顏色參考,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。)

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    圖5所示。(a,b) A93-T、(c) A93-T和(d) A95-T片充氫后的TDA曲線。第二條曲線以下的面積被認(rèn)為是襯底內(nèi)可擴(kuò)散H的電荷量。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),H在涂層中的解吸連續(xù)發(fā)生。

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    圖6所示。(a) A93-T、(b) A93-T、(c) A95-T板材根據(jù)充氫時(shí)間的負(fù)荷彎曲角曲線。在峰值載荷時(shí)的彎曲角度(峰值載荷角)被認(rèn)為是主要的彎曲性能,用于評(píng)價(jià)板材的彎曲性或成形性,如虛線箭頭所示。(對(duì)于圖中的顏色參考,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。)

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    圖7所示。SEM顯微照片顯示了(a-e)非h荷電的A93-T板材和(g-i)非h荷電的A95-T板材在拉伸應(yīng)變區(qū)域的順序開裂過程。(f)為裂紋面積隨彎曲角隨荷載-彎曲角曲線變化的函數(shù)。A93-T板材的4個(gè)彎曲階段不能定義在涂層較軟的A95-T板材中,因?yàn)樵诨w中很難形成v型裂紋。(對(duì)于圖中的顏色參考,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。)

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    圖8所示。(a-c) SEM顯微照片顯示了充氫后A93-T板材拉伸應(yīng)變區(qū)域的順序開裂過程。第1階段v形裂紋在47°處形成,第2階段v形裂紋在50°處擴(kuò)大,第3和第4階段v形裂紋在53°處開始剪切擴(kuò)展直至最終破壞。(d)顯示了裂紋區(qū)域隨彎曲角度隨荷載-彎曲角度曲線的變化規(guī)律。

    圖9所示。SEM顯微照片顯示了A95-T板材在充氫后(a-c)和(d-f)經(jīng)過1天的拉伸應(yīng)變區(qū)依次開裂的過程。


    總之,本文通過控制Al-Si涂層組織,研究了Al-Si涂層組織對(duì)1.5- pa級(jí)HPF鋼板彎曲性能和HE的影響。通過斷續(xù)彎曲試驗(yàn)研究了彎曲機(jī)理,并根據(jù)經(jīng)過時(shí)間和H滲透試驗(yàn),用TDA分析了H的解吸行為。將彎曲機(jī)理、斷裂模式與H解吸行為關(guān)聯(lián)得出主要結(jié)論如下:常規(guī)HPF熱處理?xiàng)l件(A93-T: 930°C for 6 min)產(chǎn)生了由Fe2Al5、FeAl和鐵素體層組成的33-μm厚的多層膜結(jié)構(gòu)。浸浴溫度和時(shí)間(A95-T: 950℃for 30 min)降低了Al-Si黏附量,抑制了Fe2Al5的形成,形成了由FeAl和鐵素體層組成的30 μm厚的bcc基涂層結(jié)構(gòu)。

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