华北理工大学《JMST》：强度800MPa！延伸率21.7%！缓解局部应力集中实现高强度、高韧性仿生钢！
2024-03-05 13:26:28
作者：材料学网 来源：材料学网
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工程材料中一个微小的结构缺陷都可能带来相当大的局部应力集中，从而可能导致灾难性的破坏，造成重大的生命和财产损失。因此，有效缓解局部应力集中是材料设计中的一项重要任务。在金属材料的成分设计和冶金生产过程中，经常会形成与基体弹性模量有显著差异的夹杂物或次生相。当外部应力导致位错移动时，位错往往会聚集在高能位置，形成一些微孔（裂纹源）。微孔处存在三向应力集中，通常会在应力作用下扩展并合并成凹陷或微裂纹。Wang 和 Zhang发现微裂纹的尖端容易引起局部应力集中，裂纹沿晶界或在晶粒内逐渐扩展。由于缺陷能量较高，晶界更容易被撕裂，从而形成断裂面。为了延缓晶界和晶粒内部的失效，Yan 等人采用循环应变模式在镁合金中设计了合理数量的晶界和孪晶界。虽然这在一定程度上平衡了材料的强度和塑性，但抑制应力集中和裂纹扩展的效果并不显著。Huang 等人提出了位错工程理论，通过在高强度马氏体中积累超高密度的位错，可以缓解应力集中并改善材料塑性。马氏体中积累超高密度的位错，从而缓解应力集中并改善材料塑性。然而，这种方法对材料的强度和位错的最大容量要求过高，而且需要突然激活位错。我们在以往的研究中发现了一个有趣的现象，即当存在多个次生相时，相邻应力场会带来相互促进的耦合强化，而强化效果与次生相的分布和形态有关。目前，关于如何充分利用第二相的强化效应来缓解金属材料应力集中的研究仍处于早期阶段。 近年来，仿生工程 已成为材料设计中一种前景广阔的方法。在材料设计中大有可为。Wu 等人从螳螂虾的身体结构中汲取灵感，设计出一种仿生微结构，显著提高了材料的吸能性能。同样，Shi 等人开发了一种仿生鱼骨状微结构，以限制裂纹扩展路径。目前已开发出多种仿生结构，如仿蜂窝结构、仿软体动物结构、仿投手植物结构、仿鲨鱼盾鳞结构等。然而，这些仿生项目仍处于早期阶段，需要进一步开发才能实现产业化。关键是要开发出与冶金钢铁工业现有设备兼容的新型仿生金属材料加工技术。竹纤维的天然结构由纤维素、半纤维素和木质素组成，表现出复合、多相和异质结构的特点。纤维束由不同长度的实质细胞形成。纤维壁呈现异质微观结构，从外层到内层的厚度各不相同。竹子的这种纤维异质结构有助于提高其强度和韧性。受天然竹子结构的启发，我们开发了一种具有模仿竹纤维的异质结构的中碳钢，利用多种强化机制。利用异质边界和胶结物的耦合构建点线拓扑结构，有效传递应力并缓解应力集中，从而在保持优异塑性的同时显著提高屈服强度。有关此课题，华北理工大学联合悉尼大学廖晓舟教授进行了深入研究，相关研究成果以“Strong yet ductile bionic steel by mitigating local stress concentration function”发表在“Journal of Materials Science & Technology”上 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224001774?via%3Dihub图 1. 初始普通碳钢（a）和预处理后（b）的微观结构。图 2. 热轧和退火后假共晶样品的微观结构和机械性能 轧制和退火后的微观结构和力学性能。(a)天然竹纤维结构图。(b-d）分别是在 550、600 和 650 °C 下轧制的样品。其中 F 代表铁素体，PF 代表原共晶铁素体，EF 代表共晶铁素体、 θ 代表胶合铁素体曲线，（f）屈服强度-均匀伸长率比较。轧制方向称为 RD，与轧制工具接触表面的法线方向称为 ND，而 TD 表示与其余两个方向垂直的方向。 图 3. 仿生钢在轧制和退火过程中的铁素体晶粒尺寸信息（a-c）和取向差演变（d-f）。图 4. 竹纤维复合材料中碳素结构钢的精细表征和结构参数统计。(a) TEM 发现样品的微观结构中存在大量位错，且雪明碳酸盐已明显球化。(b) TEM 观察结果表明，大尺寸的雪明碳酸盐很容易聚集在晶界处，从而对晶界产生针刺效应。对晶界产生了钉扎作用。(c、d）通过 TEM 观察到，铁素体晶粒内部析出了纳米级的雪明碳酸盐。在 A-600 样品的铁素体晶粒内部析出，而其他位置上的雪明碳酸盐尺寸较大（c），形成了多尺度的雪明碳酸盐分布特征，而且雪明碳酸盐的分布更为分散（d）。(e) 用金属材料线性强化理论分别量化了奥罗旺强化机制（σC）、晶界强化机制（σGB）、位错强化机制（σdis）和 HDI 强化机制（σHDI）对屈服强度（YS）的贡献。(f) 利用 TEM、Image Pro 和 EBSD 计算雪明碳酸盐的面积分数和平均直径，发现雪明碳酸盐的分布 (
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