清華&重慶大學(xué)《Nature》子刊：低溫韌性提升五倍！開(kāi)發(fā)高性能、低成本奧氏體鋼！
導(dǎo)讀：在低溫下，大多數(shù)金屬顯示出降低的延展性和沖擊韌性。本文首次報(bào)道了一種成分稀薄，細(xì)晶粒的Fe-30Mn-0.11C奧氏體鋼，打破了這一規(guī)則。隨著溫度的降低，強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和夏比沖擊韌性都得到了提高。在液氮溫度下獲得的夏比沖擊能為453 J，約為常規(guī)低溫奧氏體鋼的四到五倍。高韌性歸因于錳和碳奧氏體穩(wěn)定元素，以及晶粒尺寸減小至近微米級(jí)。在這種條件下，位錯(cuò)滑移和變形孿生是主要的變形機(jī)制，而α-馬氏體和ε-馬氏體相變的脆化得到了抑制。這樣可以減少局部應(yīng)力和應(yīng)變集中，從而延緩了裂紋成核并延長(zhǎng)了加工硬化。該合金價(jià)格低廉，可以通過(guò)常規(guī)生產(chǎn)工藝進(jìn)行加工，使其適合工業(yè)中的低溫應(yīng)用。
低溫金屬和合金在工業(yè)中得到廣泛使用，涵蓋了廣泛的領(lǐng)域，包括液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐，破冰船，超低溫超導(dǎo)性和外太空探索。對(duì)于此類應(yīng)用，需要高低溫沖擊韌性，以防止在沖擊載荷期間發(fā)生災(zāi)難性故障。這里的一個(gè)普遍挑戰(zhàn)是，金屬和合金的沖擊韌性幾乎總是隨著溫度的降低而降低。這樣，常規(guī)的金屬和合金已為低溫應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，包括鋼、鈦和鋁，在低溫下具有相對(duì)較低的沖擊韌性，從而限制了它們?cè)谶@樣的工作溫度下的應(yīng)用。目前已經(jīng)探索了該問(wèn)題的解決方案，但這些合金的斷裂韌性仍僅限于中等值（<100 J）。此外，為了在這些合金中實(shí)現(xiàn)所需的性能，需要超純?nèi)蹮捈夹g(shù)和復(fù)雜的熱處理，這導(dǎo)致了高生產(chǎn)成本。因此，開(kāi)發(fā)出在低溫下韌性保持不變甚至增加的廉價(jià)、工業(yè)上實(shí)用的合金仍然是材料科學(xué)的一個(gè)夢(mèng)想。
實(shí)際上，最近已經(jīng)報(bào)道了具有超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼的韌性與溫度的逆相關(guān)性，其中，提高的韌性歸因于在對(duì)準(zhǔn)的晶體切割面上的裂紋分支導(dǎo)致的細(xì)鱗片狀分層。然而，韌性的反溫度依賴性僅保持在-50°C的適度低溫下，相應(yīng)的最大沖擊能量約為300J。在較低的溫度下，韌性以通常的方式急劇降低。最近，還報(bào)道了某些高和中熵合金（HEAs / MEAs）的沖擊韌性隨溫度降低而增加，例如CrMnFeCoNi，其中已獲得了約400 J的極高的低溫沖擊韌性。盡管具有如此高的低溫沖擊韌性，但由于與所需數(shù)量的昂貴合金元素（尤其是Co）相關(guān)的高成本以及大規(guī)模生產(chǎn)的復(fù)雜性，此類合金可能僅在有限的工業(yè)應(yīng)用中使用。由于與HEA和MEA中使用的大量合金相關(guān)的可回收性方面的困難，此類合金的可持續(xù)性也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
但是，從關(guān)于HEA的研究中可以吸取兩個(gè)教訓(xùn)，這一點(diǎn)很重要。它們是：（i）通過(guò)降低溫度從室溫（RT）的平面滑動(dòng)位錯(cuò)活動(dòng)過(guò)渡到較低溫度下的機(jī)械納米孿晶變形，可以實(shí)現(xiàn)超高沖擊能量，并且（ii）實(shí)現(xiàn)倒韌性-溫度關(guān)系，兩者的強(qiáng)度和延展性應(yīng)該同時(shí)隨測(cè)試溫度增加。
受這些研究的啟發(fā)，我們?cè)诖藞?bào)告的是細(xì)晶粒（平均晶粒尺寸為5.6 μm）Fe-30Mn-0.11C奧氏體鋼的數(shù)據(jù)。成分的選擇基于先前報(bào)道的Fe30Mn鋼的結(jié)果，并添加了少量的C作為額外的奧氏體穩(wěn)定元素。結(jié)合適當(dāng)?shù)木Я＜?xì)化，所得到的鋼在低溫變形時(shí)能夠抵抗ε馬氏體的形成。結(jié)果表明，這種鋼既可以滿足上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，又可以隨著低溫條件下溫度的降低而顯示出韌性的異常增加，從而在液氮溫度下產(chǎn)生超過(guò)450 J的超高夏比沖擊能。此外，該鋼僅由Cantor HEA的兩個(gè)元素以及少量的碳組成，并且僅通過(guò)常規(guī)的冷軋和退火工藝生產(chǎn)。簡(jiǎn)單的合金組成，低成本和常規(guī)的加工路線能夠?yàn)樵摵辖鹛峁V泛的低溫應(yīng)用。相關(guān)研究成果以題“Cryogenic toughness in a low-cost austenitic steel”發(fā)表在commuincations materials上。
https://www.nature.com/articles/s43246-021-00149-8?
圖3：在RT和LNT沖擊試驗(yàn)后，距斷口表面約1000 ?μm處的樣品的微觀結(jié)構(gòu)。
微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)結(jié)果均表明，本鋼滿足了以上提出的與溫度-韌性成反比關(guān)系的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，進(jìn)行了夏比沖擊試驗(yàn)以驗(yàn)證這一假設(shè)。在測(cè)試過(guò)程中，沒(méi)有一個(gè)樣品分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，表明它們具有出色的韌性。實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于細(xì)粒樣品，隨著測(cè)試溫度從RT降低到LNT，沖擊韌性提高了36％。此外，細(xì)顆粒樣品在LNT處獲得了超過(guò)450 J的非凡低溫韌性，據(jù)作者所知，這代表了目前所有已報(bào)道的金屬和合金的新記錄。有趣的是，粗粒樣品的沖擊韌性遵循通常預(yù)期的韌性-溫度依賴性，隨著溫度從RT降低到LNT，韌性降低約38％。
圖4：在LNT進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)后，使用微細(xì)斷層掃描法對(duì)細(xì)顆粒和粗顆粒樣品進(jìn)行3D斷口形貌分析。a在LNT上進(jìn)行沖擊測(cè)試后，細(xì)晶粒樣品的斷裂表面形成了一個(gè)大頸，沿夏比缺口的方向看到了主裂紋，而與夏比缺口的方向垂直的是從屬裂紋。b在LNT上進(jìn)行沖擊測(cè)試后，在粗晶粒樣品中沿夏比缺口的方向出現(xiàn)一個(gè)單一的深裂紋，在該處看不到頸縮且斷裂表面平坦。
圖5：與各種低溫金屬的比較。LNT上不同錳鋼的夏比沖擊韌性的比較；水平的藍(lán)線顯示的是GB 24510-2009中厚度≤30 mm的鋼板中9％Ni的標(biāo)準(zhǔn)。b LNT處的夏比沖擊能與RT屈服強(qiáng)度的關(guān)系。b中引用的樣品的晶粒尺寸均在7.5–50 μm的范圍內(nèi)。
總而言之，本研究證明了獲得具有極高低溫韌性的高錳，低碳鋼的可能性。通過(guò)將這些奧氏體穩(wěn)定元素與適當(dāng)?shù)募?xì)晶粒尺寸相結(jié)合，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了韌性的逆溫度依賴性，從而在細(xì)晶粒的Fe-30Mn-0.11C鋼中實(shí)現(xiàn)了> 450 J的低溫韌性。與具有高低溫韌性的高熵合金相比，錳的低價(jià)格和使用常規(guī)工藝路線的工業(yè)批量生產(chǎn)的適宜性相結(jié)合，使這種具有優(yōu)異韌性的細(xì)晶粒Fe-Mn-C合金成為一種非常經(jīng)濟(jì)的鋼。廣泛的低溫應(yīng)用。
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