香港大学黄明欣教授团队：通过控制位错密度大幅提高超薄钢的屈服应力和均匀伸长率！

2022-05-20 14:04:40 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

这种对高强度的需求进一步得到了工业界持续发展超薄板（约200μm厚）以进一步降低原材料成本的趋势。特别是，在板材经过冷轧和退火后通过额外的冷轧工艺实现的双压下（DR）型板材表现出显著增加的屈服应力

不幸的是，DR 板材的屈服应力的提高不可避免地以较低的均匀伸长率和由此导致的过度冷变形导致的成形性不足为代价来实现的。由于成本问题，解决这种权衡对于行业来说尤其困难。包括纳米孪晶（ Lu et al., 2009 ; Lu et al., 2004 ; Sevillano, 2009 ）、双峰（ Wang et al., 2002 ）、多峰（ Zhao et al., 2008 ）、层状（Liu et al., 2013）、梯度（Wu et al., 2014）和分层（Liddicoat et al., 2010）；Ming et al., 2019 ）结构虽然增强了应变硬化并因此在高屈服应力下均匀延伸，但需要复杂的加工技术或仅在实验室中才能实现的过量合金元素。事实上，这些基于纳米结构的设计原则通常不适用于工业生产的低合金、易于回收的大规模消费钢……

设计位错的线缺陷，例如操纵位错密度或控制与间隙碳原子的相互作用，为实现钢的相互矛盾的机械性能提供了不同的途径（Huang 和 He，2018 年），尤其是通过简单加工路线制造的廉价钢。一个典型的例子是超高强度变形和隔断（D&P）钢（ He et al., 2017a ）的大拉伸延展性，可以通过现有的加工路线生产。为了在不牺牲屈服应力的情况下在 DR 钢板中获得大的均匀伸长率，因此控制位错密度以及碳-位错相互作用可能是合理的。

在此，香港大学黄明欣教授团队设计一个优化的 DR 工艺来证明这一概念在超薄 DR 片材中的有效性，该工艺涉及精确控制位错密度和烘烤硬化。分别对采用常规 DR 工艺和优化工艺生产的两种化学成分相似的超薄 DR 钢进行了分析和比较。这两种钢表现出相同的约 510 MPa 的屈服应力，但表现出明显的应变硬化行为和均匀的伸长率。详细的微观结构表征，包括同步加速器 X 射线衍射分析，用于定量分析强化机制对于每一种钢材。结果表明，优化后的 DR 钢显着增加的均匀伸长率源于其在拉伸应变过程中连续产生位错的能力。此外，由于碳-位错相互作用，烘烤硬化处理促进了 96 MPa 的额外强化，确保优化的 DR 钢的屈服应力不受影响。总体而言，这项工作展示了一种有效且工业兼容的方式来提高 DR 片材的可成形性，同时保持其屈服应力。该结果可能为行业开发廉价、可回收的超薄钢板提供了一条通用途径，该钢板具有显着的屈服应力和均匀伸长率组合。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922001152

图 1显示了两种钢板沿 RD 的工程应力-应变曲线，以及由DIC在各种全局应变下获得的相应应变分布图。这两种钢具有相似的 0.2% 偏置屈服应力（ σy ），约为 510 MPa ，但它们表现出不同的屈服行为，从连续屈服（钢 A）到不连续屈服（钢 B）。钢 B 表现出的不连续屈服通过应力-应变曲线上的早期应力平台和 DIC 测量揭示的双 Lüders 带的传播来识别（图 1乙）。Lüders 带同时从试样的上肩部和下肩部开始并传播，直到两个带在ε ? 0.014 处相遇。这种 Lüders 带是典型的现象，主要发生在烘烤硬化后的低碳钢中（Ballarin 等，2009 ），在此期间，间隙碳原子迁移到位错并形成 Cottrell 气氛。未经烘烤硬化的钢 A 没有显示出这种应力平台。

图 1。原样（a）钢 A 和（b）钢 B 的单轴拉伸应力-应变曲线，加载轴平行于板材的 RD。还显示了每个测试（视场：25 mm × 4.7 mm）在各种全局工程应变（ εg ）下轴向应变场（ εyy ）的相应演变。

图 2显示了两种钢沿 RD、DD 和 TD 的工程应力-应变曲线。相关的机械性能总结在表 3中。对于每种钢，试样取向仅对σ y、σ u、ε u和ε f等力学性能产生轻微影响，而应变硬化行为相对于拉伸方向几乎没有变化。图 3显示了两种原样钢的初始 SEM 显微组织。两种钢都表现出典型的由微米级珠光体团和铁素体晶粒组成的前共晶微观结构。珠光体相由轻微变形或无明显变形的层状形态识别，在两种钢中具有大致相同的体积分数，如从 SEM 图像评估的那样。钢 A 中的珠光体面积分数测得约为 4.9%，而钢 B 中约为 5.2%。

图 2。原样（a）钢 A 和（b）钢 B 的单轴拉伸应力-应变曲线，加载轴平行于板材的 RD、DD 和 TD。

图 3。（a）钢 A 和（c）钢 B 的初始 SEM 显微组织。RD 沿图的垂直方向。（b）（a）中白框标记区域的放大图，显示钢A中存在碳化物。（d）（c）中白框标记区域的放大图。

图 4。收到的（a）钢 A 和（b）钢 B 的反极图（IPF）电子背散射衍射（EBSD）图。还提供了基于 EBSD 图的极图和晶粒尺寸分布。

由于很难通过 TEM 可靠地测量现有钢的位错密度，因此在这项工作中使用了衍射峰展宽分析。两种钢在不同工程应变下的位错密度（钢 A 为 0%、4%、8%，钢 B 为 0%、3%、10%）通过同步辐射 X 射线衍射实验结合 MWH 测量方法（Ungár 等人，1998b）。对于图7中的每个衍射图案，可以确定ΔK和K的五个数据对。ΔK 是通过用伪 Voigt 函数拟合峰值来确定的，误差线代表 ΔK 的一个标准偏差。如上图所示，两种钢都呈现珠光体相，层状结构清晰可见（图 3 b 和 d）。预计第一次冷轧期间的剧烈塑性变形会严重扭曲层状结构，而两种钢中的珠光体都表现出几乎未变形的形态。这可以从以下事实来理解：在临界退火过程中（温度低于 Ac3），形成奥氏体的第一步是珠光体溶解成高碳奥氏体（ Speich et al., 1981），由于局部碳含量高，珠光体将在冷却后生长。因此，两种钢中未变形的珠光体层状结构预计将在退火过程中由最初变形的珠光体集落的相同位置形成。