抗拉强度1.27GPa，延伸率54.5%！一种新型异质结构中锰钢
编辑推荐：兼具高强度和高塑性的材料是科学家一直追求的目标。本文制备了一种具有异质结构的中锰钢，可以在较大的应变范围内发生持续TRIP效应，同时协同位错强化、背应力强化等多项强韧化机制，获得了高强度高塑性的良好匹配，其屈服强度为1060MPa，抗拉强度为1270MPa、总延伸率为54.5%。本文工作为第三代汽车用钢的进一步研发与工业化应用提供一种新的思路。
如今安全、节能、环保作为汽车技术的三大主题，极大地推动了车身轻量化技术发展。兼具高强度、高塑性先进汽车用钢板的研发成为科研院所、钢铁行业和汽车制造商追求的目标。中锰钢作为典型第三代汽车用钢引起了国内外学者的广泛关注和研究。然而，当中锰钢强度超过1200MPa时，其塑性降低较为显著，这在很大程度上限制了其进一步的发展和应用。
近年来，异构材料作为一种新型结构材料屡屡见诸报道，如有些学者研究发现异构片层钛结构可使材料获得高强度与高塑性良好匹配。异构材料在一定程度上较好地解决了传统材料的强度-塑性“倒置”（trade-off）关系。此外，采用表面机械研磨处理方法在纯铜中获得异质结构，有效提高了材料的强度，同时其塑性得到较好保持。基于此，对于能否把异质结构思路引入中锰钢，以期进一步提升中锰钢强塑积水平值得深入研究。
近日，河北工程大学材料学院先进高强钢研究团队采用预制多重奥氏体形核壁垒+两相区退火及低温回火工艺制备了一种具有多形貌、多尺度、元素异质分布奥氏体与铁素体组织的异质结构中锰钢，并研究了其异质结构在形变过程中强韧化机制。相关论文以题为“Microstructural evolution and mechanical behavior of a novel heterogeneous medium Mn cold-rolled steel”发表在 Materials Science and Engineer A上。论文第一作者为张喜亮教授，通讯作者为张喜亮教授和石银冬副教授。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320314088
本研究选用的材料为普通中锰钢，其成分为：Fe-0.18C-7.8Mn-1.65Al-0.04Ce（wt.%），热轧钢板经两相区退火（680℃保温1h）后进行不同小压下率冷轧，控制冷轧后钢板中残余奥氏体含量约为10%，最后对冷轧钢板进行两相区退火及低温回火处理（660℃、680℃和700℃保温10min，低温回火均在200℃下保温20min，以下简称A66、A68和A70），为了对比分析，热轧退火钢板进行大冷轧压下率（60%）使其奥氏体全部转变马氏体，然后进行680℃退火和低温回火，该试样简称CMM。研究结果表明，A68试样的微观组织由多形貌（片层状、颗粒状、大块状）、多尺度、元素非均质分布奥氏体与铁素体双相组织构成（图1与图2）。力学性能测试结果显示该异质结构中锰钢的屈服强度为1060MPa，抗拉强度为1270MPa、总延伸率为54.5%，其强塑积超过目前文献报道相似成分中锰钢，接近高锰孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）水平（图3）。
图1 (a-d)各处理工艺下的中锰钢EBSD相图.(e)奥氏体晶粒形貌数量分布图.(f) 奥氏体晶粒面积分布图
图2 (a-d)A68试样组织形貌TEM照片.(e)不同形貌奥氏体中Mn元素浓度分布曲线
图3(a)各处理工艺的中锰钢力学性能. (b)异质结构中锰钢与其他先进高强钢性能对比图
经LUR测试分析，异质结构中锰钢（A68试样）存在较高的背应力水平（最近学者提出新的概念，即异变诱导强化HDI），且随着应变增加，背应力逐渐增大，研究表明由于背应力存在，异质结构（A68）试样拥有最高的屈服强度（图4）。对异质结构试样进行原位EBSD测试（图5）并配合间断TEM分析，结果发现在拉伸初期（真应变<0.09），层错和位错积累起主要作用；在拉伸中期（0.09<真应变<0.34），随着应变增加，小颗粒状奥氏体优先发生马氏体转变，而后大块状与片层状奥氏体发生马氏体转变；在拉伸最后阶段（TRIP效应可忽略），背应力强化起主导作用。
图4 A68试样(a)LUR曲线. (b)真应力、背应力、背应力配分系数随真应变变化曲线及(c)不同工艺处理试样的屈服强度计算值与实验值对比
图5A68试样原位EBSD拉伸测试 (a1-a4) 第一区域，主要包含大块状和颗粒状晶粒.(b1-b4) 第二区域，主要包含片层状晶粒
综上所述，异质结构中锰钢不同形貌奥氏体具有不同稳定性，导致其在较大的应变范围内发生持续TRIP效应，此外，位错强化与由于异质结构引发的背应力强化等多项强韧化机制的综合作用最终导致A68试样展现出了高强度、高塑性的优异性能。本文将异质结构引入中锰钢领域，并获得理想性能，为第三代汽车用钢板的进一步研发与工业化应用提供一种新的思路。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。