人們對高強度和低密度鋼的需求不斷增長，本文開發了一種在強度和延展性良好的基礎上加工硬化率較高的輕質鋼，具有獨特微觀組織，最終顯示出超高屈服強度（1.6GPa）和良好的延展性（總延伸率20％）的優良組合，這種鋼更加符合節能環保的理念，有望進一步擴展鋼材的應用範圍。
現階段人們對高強度和低密度鋼的需求不斷增長，這種鋼可以用作輕型建築中（特別是在運輸系統中）的節能環保型結構材料。眾所周知，在鋼中添加Al會降低其密度，因此，Fe-Mn-Al-C鋼由於其具有較高的機械性能以及較低的密度而受到廣泛的關注。在不同類型的輕質鋼中，主要區別是組成相（即鐵素體，奧氏體或雙相鋼）的不同。在奧氏體晶粒內由納米級κ-碳化物顆粒強化的奧氏體輕質鋼，具有較高的比強度和良好的延展性。奧氏體-鐵素體雙相輕質鋼也顯示出屈服強度和延展性的良好組合，但其屈服強度低於奧氏體鋼。這些鋼（特別是κ硬質合金強化的奧氏體鋼）通常表現出較低的加工硬化率，所以需要開發出一種在強度和延展性良好的基礎上加工硬化率較高的輕質鋼。
韓國浦項科技大學的一項研究新設計了Fe-21Mn-10Al-1C-5Ni（wt％）輕質鋼在兩種退火條件下（誘導部分再結晶和完全再結晶）以及時效處理後的組織演變和拉伸性能。相關論文於以題為“Improvement of strength – ductility balance of B2-strengthened lightweight steel”近日發表在金屬領域頂級期刊Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.022
在退火狀態下，鋼的顯微組織由沿著奧氏體晶界的多邊形B2顆粒、未再結晶奧氏體晶粒內的板狀B2顆粒組成，並沒有形成B2帶狀組織。通過適當控制奧氏體穩定元素（Mn和C）的含量可以調控微觀結構。在退火過程中會形成B2顆粒（尺寸小於500 nm），而不是B2帶，它們表現為再結晶奧氏體晶界處的多邊形顆粒或未再結晶奧氏體中的板狀顆粒。隨後在550℃進行10分鐘的時效處理對退火後的微觀結構幾乎沒有影響，只是分別促進了納米尺寸κ-碳化物和D03粒子在奧氏體晶粒和B2粒子中的析出，顆粒尺寸增加至4 nm左右。
本文開發出的輕質鋼具有獨特微觀組織，由含有納米級κ-碳化物的再結晶奧氏體，含有B2粒子和納米級κ碳化物的未再結晶奧氏體，以及含有納米級D03顆粒的晶界B2粒子組成。該輕質鋼具有的優異強度，退火條件下的屈服強度為1.2-1.4GPa，總伸長率為24-35％。時效處理可進一步提高退火試樣的強度（提升約154-183MPa），而不會顯著降低延展性（下降約4-5％）。
圖1 退火後試樣的顯微組織
圖2 退火狀態下的奧氏體和B2的區域軸SADP和區域軸HRTEM圖像
圖3 時效後的顯微組織與對應取向關係
圖4奧氏體與B2經不同應變後的變形微觀組織
圖5 不同鋼之間的性能比較
圖6 不同鋼之間的加工硬化率比較
總的來說，本研究的鋼最終顯示出超高屈服強度（1.6GPa）和良好的延展性（總延伸率20％）的優良組合 ，超過了其他B2和κ-碳化物強化的輕質鋼。顯微硬度測試結果表明，由於時效而增加的強度是由於奧氏體和B2中κ-碳化物和D03納米顆粒的析出增加所致。另外，在如此超高強度水平下，本發明鋼的良好延展性主要與抑制不良的微結構特徵的形成有關，例如在其他輕質鋼中觀察到的粗大的B2帶以及粗大的相間/晶間B2和κ-碳化物顆粒，導致時效後延展性較差。本文開發的輕質鋼更加符合節能環保的理念，有望進一步擴展鋼材的應用範圍。（文：破風）
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