相界面碳偏聚實現超細晶復相鋼力學行為調控
2020-11-09 來源： Goal Science
通過多相、多尺度的精細調控提高先進鋼鐵材料的性能長期以來都是學界和工業界共同關注的重要問題。其中，界面設計又是最有效且具有潛力的調控手段之一。最近，德國馬普所的Raabe課題組，以Fe-11.7Mn-2.9Al-0.064C（wt.%）中Mn鋼為研究對象，通過將材料在α+γ兩相區退火后經不同速率冷卻，制備得到了具有不同化學成分相界面的對比組樣品，通過一系列的多尺度表征和力學性能測試，揭示了相界面處的化學偏聚對超細晶復相鋼鐵材料屈服的影響。
材料所經熱處理如圖1所示。經空冷和水淬的兩相區退火樣品具有幾乎相同的奧氏體體積分數（~58%）和晶粒尺寸，但由于空冷過程相對較慢，使碳有足夠的時間進行擴散，因此α/γ相界面處的碳含量具有顯著不同。三維原子探針實驗結果證實了這一點（如圖2所示）。這一結果一方面直觀地展現了冷速對界面碳含量的調控作用，同時也表明，700℃下碳在α/γ相界面不發生偏聚；而低溫下碳的界面偏聚可達到體成分的5倍左右。這對于合金元素對界面遷移影響的動力學模擬具有重要的參考價值。
圖1 樣品熱處理
圖2 界面處碳偏聚的3DAP表征
中Mn鋼和Q&P鋼同作為第三代先進高強度汽車用鋼最主要的備選材料，目前Q&P鋼已初步進入實用階段，而中Mn鋼則尚有一段距離。限制中Mn鋼實用化的因素除工藝窗口窄、成本相對更高以外，也包括中Mn鋼變形過程中的呂德斯帶。因為這種不均勻變形會提高復雜構件成形的難度。研究結果表明，界面處的碳偏聚盡管使得材料的屈服強度發生了約100MPa的提高，但在屈服過程卻導致了呂德斯帶的產生（見圖3），這表明了中Mn鋼界面化學調控的必要性。
圖3 樣品的拉伸力學行為
此外，作者對中Mn鋼這樣的復相鋼鐵材料中的屈服機制、應力分配和協調、TRIP效應等進行了討論。通過EBSD結合電子隧穿對比成像，證實了不同樣品最初的塑性變形均是由α/γ界面處的位錯擴展驅動的，即它們具有相同的變形機制，如圖4和圖5所示。作者認為，正是由于相界面處的碳偏聚提高了位錯的形核勢壘，導致了樣品不同的屈服響應。
圖4 水淬樣品組織隨應力的演變
圖5 空冷樣品組織隨應力的演變
總得來說，作者對不同冷卻條件下中Mn鋼相界面處的碳偏聚進行了細致的表征。加深了學界對于中Mn鋼不連續屈服現象的理解，同時展現了相界面的化學偏析在復相細晶金屬材料力學性能調控方面的巨大潛力。
歡迎留言，材料科學的進步，需要您的發聲！
原文鏈接：
微信公眾號：Goal Science
投稿郵箱：wechat@gs-metals.com
投稿微信：GSmaterial