燕山大學：均勻延伸率達190%！通過引入碳擴散策略使層狀鋼具有更高強度和延展性

導讀：本研究提供了一種碳擴散策略，以同時提高復合馬氏體鋼的強度和延展性，并將均勻延展性提高 190%。該過程在不失去奧氏體成分的硬化能力的情況下強化了馬氏體，并帶來了實質(zhì)性的過渡層。這種策略也可以應(yīng)用于其他含輕元素的復合合金，從而為制造高強度和高延展性材料提供了途徑。

在本研究中，燕山大學提供了一種新的元素擴散策略，即輕元素（如碳）的長程擴散。與初始整體馬氏體鋼相比，該策略不會降低每一層的機械性能，并提高復合馬氏體鋼的強度和延展性。相關(guān)研究成果以題“Making composite steel higher strength and higher ductility via introducing carbon diffusion strategy”發(fā)表在國際著名期刊Materials Research Letters上。

論文鏈接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2021.1953629

圖 1.盒子中的堆疊結(jié)構(gòu)（a），整體鋼（b 和 c）和復合鋼（d-g）的微觀結(jié)構(gòu)。馬氏體鋼（b）和哈德菲爾德鋼（c），復合鋼（d）的光學觀察，以及馬氏體層（e）、界面區(qū)（f）和哈德菲爾德層的TEM顯微組織，與標有A的正方形區(qū)域一致， B 和 C 中的 d。

總之，盡管哈德菲爾德層為馬氏體貢獻了 20% 的碳，但仍保留了它的高應(yīng)變硬化能力。這一點對于本研究中元素擴散策略的成功具有戰(zhàn)略意義。首先，哈德菲爾德層的初始硬化率與整體鋼相當。根據(jù)元素分布結(jié)果（圖 2（a）），兩層之間存在過渡層（約20μm厚），其厚度根據(jù)硬度分布增加到約45μm（圖 4）。該結(jié)果表明復合鋼由哈德菲爾德層、馬氏體層和梯度層組成。幾項關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)的有趣研究表明，在細晶粒和粗晶粒之間的界面處產(chǎn)生的應(yīng)力不相容性可能導致應(yīng)變梯度，這將通過梯度區(qū)域中的幾何必要位錯 (GND) 來適應(yīng) 。

圖 2. EMPA 結(jié)果關(guān)于相鄰層（a 和 c）之間合金元素的含量以及使用 Thermal Calc 軟件（b）計算的碳活性。

這種新工藝產(chǎn)生的機械性能及其與參考整體鋼的比較如圖3(a) 所示。不僅均勻延展性和總延展性分別提高了 190% 和 40%；與經(jīng)過相同熱加工工藝處理的整體馬氏體鋼相比，屈服強度和極限抗拉強度顯著提高。復合鋼的應(yīng)變硬化率較高，如圖3(b), 應(yīng)負責增加的機械性能。這種復合鋼的強度和伸長率也高于在熱軋元素擴散后沒有最后 5 分鐘打孔工藝的鋼。該結(jié)果直接表明引入碳擴散策略可以同時提高高強復合鋼的強度和延展性。

圖 3.復合鋼和參考整體鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (a) 和相應(yīng)的應(yīng)變-硬化速率-應(yīng)變曲線 (b)。注：UD、TD、UTS 和 YS 分別表示均勻延展性、總延展性、極限抗拉強度和屈服強度。

圖 4.復合鋼的硬度演變及其與整體鋼（a、c 和 d）的比較以及馬氏體層中殘余奧氏體的體積分數(shù)（b）。

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