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金屬頂刊《Acta materialia》：屈服達2030 MPa！具有超高密度和超細析出相的低密度超強鋼！

2022-10-24 14:54:28 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

通過對位錯、晶粒結構、固溶體、納米級分散和第二相的控制，開發輕質高強鋼一直是結構材料面臨的長期挑戰。金屬間相在晶界和位錯等晶體缺陷周圍成核，可用于強化金屬合金的力學性能。為提高鋼的強重比，在鋼中引入低密度鋁，研制出密度6.5 g/cm3的輕量化合金Fe-Mn-Al-C。根據Mn和C的含量，基體相可以是鐵素體、奧氏體或兩者的混合物（雙相鋼）。對于重合金鋼，可以形成不同類型的析出相，其大小、形態和分布都是為提高其力學性能而量身定制的。有研究表明，在550°C時效15小時后，淬火奧氏體基體中可析出高密度納米級k-碳化物（（Fe, Mn）3AlC型），材料達到了高達1100MPa的高屈服強度。然而，碳化物很容易被位錯剪切，這限制了它們增強金屬的能力。塑性變形可以誘導高密度的細小析出相的成核。其主要思想是在基體中引入缺陷，以促進沉淀過程。Kim等人在研究中成功地引入了B2相，使B2相在熱軋后晶界和變形剪切帶上成核。硬質FeAl-B2型金屬間相分散在奧氏體基體中以提高強度。進一步的研究表明，含有B2相的奧氏體基體的硬度在8.2GPa左右。雖然通過傳統熱處理或熱軋引入硬質B2可以提高鋼的強度，但目前B2析出相較粗（200-1000nm），不能達到強度和塑性兼備。均勻分布的超細金屬間物B2相的析出是進一步提高金屬合金力學性能的關鍵。

激光沖擊強化是一種高應變率塑性變形過程。激光沖擊強化過程中，等離子體產生的較大沖擊壓力傳遞到基體上，使材料發生塑性變形。加工溫度對合金的強度和顯微組織有重要影響。通過將襯底預熱到較高的溫度，沉淀物可能形成。近年，有研究者發現，當7075鋁合金或AISI 4140鋼預熱到300℃時，高密度MgZn2顆粒或10 nm碳化物可從基體中析出。熱激光沖擊強化過程是位錯產生和動態沉淀形成相結合的熱-機械過程。如圖1（a）所示，高應變率塑性變形導致一些位錯。這些新產生的位錯為析出相提供了有利的成核位置。溫度升高有利于溶質原子的擴散，使成核速率大大提高，發生動態沉淀。在塑性變形過程中，沉淀物的存在釘住位錯并阻礙位錯的運動。為了使變形繼續，需要產生更多新的位錯，從而提供更多的成核位點。這樣可以在短時間內產生高密度位錯和均勻分布的納米沉淀物。與熱軋產生的剪切帶相比，wLSP產生的位錯密度更高，可以更有效地產生高密度納米尺度的析出相。

計算模型被廣泛應用于理解熱機械加工過程中的相變和塑性變形。相場法已廣泛應用于凝固和析出模擬，如ni基高溫合金中的析出相、Ni-Al合金中的Ni3Al析出相、Mg-Al合金中的Mg17Al12析出相、Al-Cu合金中的Al2Cu析出相。位錯動力學模型可以通過求解位錯運動控制方程來模擬位錯在塑性變形作用下的演化過程。采用位錯動力學模型模擬了激光沖擊強化作用下的位錯行為。

美國普渡大學程佳瑞（Gary J. Cheng）團隊在研究中對低密度Fe-Mn-Al-C鋼進行了溫激光沖擊強化處理。測試了不同的預熱溫度，以評估其對微結構和力學性能的影響。wLSP過程中的微觀結構演變包括位錯的形成和金屬間相的析出。為了說明wLSP過程中位錯和析出相急速倍增的耦合效應，基于耦合相場和位錯動力學模型進行了模擬，并通過實驗進行了驗證。該輕量化高強鋼的屈服強度達到2030 MPa，極限強度為2850MPa，是輕質碳素鋼中最高的。這項工作為生產具有超高密度和超細金屬間質的高強度、高延展性的輕量化金屬提供了新的思路。相關研究成果以題為Ultrahigh strength in lightweight steel via avalanche multiplication of intermetallic phases and dislocation發表在Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118436

圖1.

（a）溫激光噴丸工藝示意圖。（b）熱激光沖擊強化過程中位錯和析出相的雪崩形成。（c）耦合相場和位錯動力學模型，模擬析出相和位錯的演化過程。

圖2.

機械性能。（a）溶液處理樣品和LSP處理樣品的硬度。（b）溶液處理和LSP處理樣品微柱壓縮后的真應力應變曲線。（c）-（f）壓縮后微柱對應的SEM圖像。

圖3

溶液處理和激光沖擊強化處理樣品的XRD圖。

圖4

明亮場TEM圖像顯示位錯和B2金屬間沉淀物a）在25°C激光沖擊強化。B） 200°激光沖擊噴丸。C） 400°激光沖擊強化。d） 25°C時LSP的粒子分布為紅框所示。e）用隨機黃線測量LSP在25°C時的位錯密度。F）基體的選定區域電子衍射圖。g）顯示一個沉淀的高分辨率TEM圖像。h） HR TEM圖像的傅里葉變換模式。

圖5

t=5ns, 10ns, 15ns和20ns激光沖擊強化后粒子演化的相場模擬結果。（a） 25°C （b） 400°C

圖6

在25℃、200℃、300℃、400℃和450℃條件下位錯微觀結構誘導的馮米塞斯應力σ1。

圖7

粒子演化的相場模擬結果。a）在25°C、200°C、300°C、400°C和450°C時的面積百分比演化。b）-f）分別在25°C、200°C、300°C、400°C和450°C條件下，t=10ns和20ns時的粒徑分布。

圖8

t=0ns、5ns、10ns和15ns時位錯生成和移動的位錯動力學結果。（藍線表示位錯，紅線表示顆粒）a）室溫下的激光沖擊噴丸；b） 400°C下的熱激光沖擊噴丸。

圖9

位錯演化的DD模擬結果。a）位錯密度在25°C、200°C、300°C、400°C和450°C時的演化。b）-f）在25°C、200°C、300°C、400°C和450°C條件下t=20ns時的位錯和粒子分布。

在這項工作中，將溫暖的激光沖擊強化工藝應用于Fe-Al-Mn-C輕質鋼上。實驗結果表明，激光沖擊噴丸工藝能夠成功地在鋼中引入高密度位錯和納米金屬間B2沉淀，而無需較大的縱梁帶。通過將預熱溫度提高到400 ℃，可以顯著提高B2納米沉淀物和位錯的密度，屈服強度達到2030 MPa。力學性能的巨大改善歸因于應變硬化和納米沉淀硬化的結合。采用耦合相場和位錯動力學模型模擬暖激光沖擊噴丸強化過程中的微觀結構演化。相場模型模擬析出成核和生長，位錯動力學模型模擬位錯產生和運動。實驗粒子分布與預測粒子分布與位錯密度吻合良好，并說明了析出物和位錯的崩解增殖。耦合相場和位錯動力學模型有望預測暖激光沖擊噴丸過程中的復雜相變和位錯產生。

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