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  • 中南大学:拉伸应力高达19GPa!高应力孪晶助力FCC合金钢性能大幅提升!

    作者:admin发表时间:2022-07-12

      原标题:中南大学:拉伸应力高达1.9GPa!高应力孪晶助力FCC合金钢性能大幅提升!

      导读:在标准载荷下,在具有非常高的层错能 (SFE) 的块状面心立方 (FCC) 合金中很少发现变形孪晶。在这里,基于准静态拉伸实验的结果,我们报告了微米级成分复杂钢(CCS)中的变形孪晶,其SFE高达~79 mJ/m 2,远高于用于FCC钢孪晶的SFE机制( ~50 mJ/m 2) 报告。通过成分自由度实现的双纳米沉淀有助于我们的CCS中高达1.9 GPa的超高真实拉伸应力。强化作用增强了流动应力,达到了机械孪晶开始的高临界值。反过来,纳米孪晶的形成能够实现进一步的应变硬化和增韧机制,从而提高机械性能。高应力孪晶效应引入了迄今为止尚未开发的强化和增韧机制,从而能够设计具有改进机械性能的高SFEs合金。

      控制结晶金属材料机械性能的塑性变形机制包括位错、孪晶、堆垛层错和位移相变。虽然前一种缺陷(即位错)的运动保持晶格共格性,但后三种机制会产生对称性破坏,表现为密集原子平面的堆叠顺序的变化。这种晶体缺陷称为堆垛层错,其相关的能量损失称为堆垛层错能 (SFE)。在运动学上,孪晶、堆垛层错和位移相变由部分位错携带,它们具有比完全晶格位错更小的自能,但是当被激活时,部分位错将晶格局部转变为错误的构型,从而产生堆垛层错。出于这个原因,孪晶、堆垛层错和位移相变可以赋予金属优异的应变硬化特性,但在具有相对较高SFE的块状材料中通常不存在。因此,具有高SFE的块状合金直到今天还没有释放出由机械孪晶和堆垛层错提供的出色应变硬化储备。

      根据过去几十年进行的先前研究,在具有高SFE的拉伸载荷Fe-Mn-Al-C钢中也没有发现变形孪晶(孪晶上限约为50 mJ/m 2),这是一种很有前途的材料类别由于其低质量密度、优异的机械性能和低成本,适用于高要求的工程应用。Fe-Mn-Al-C轻钢的变形最初以位错的平面滑移为主,随着变形的进行,它进一步演变成由高密度位错组成的滑带,尽管对于这些合金来说,更高的强度-延展性体系仍然无法获得,因为可用的应变硬化机制仍然局限于位错及其与晶界和析出物的相互作用。孪晶诱导塑性(TWIP)效应作为一种高效的应变硬化和增韧机制,可实现有吸引力的机械性能,但由于它们的高SFE,这些材料仍然无法获得。

      针对上述问题,中南大学粉末冶金国家重点实验室李志明教授团队报告了SFE约为79 mJ/m 2的轻质复杂成分钢 (CCS) 中的变形孪晶和相关的高强化效应。

      如上所述,在准静态拉伸载荷条件下,具有如此高SFE的散装材料通常不可能发生变形孪晶。CCS是通过将高熵合金(HEA)的概念应用于传统轻质Fe-Mn-Al-C钢的重新设计而开发的一类材料。由高熵概念引入的成分自由度允许将材料的整体成分转变为形成独特的双纳米沉淀混合物的状态ķķ-碳化物(有序面心立方,FCC)和B2(有序体心立方,BCC)相成为可能,产生激活机械孪晶所需的高强度。通过成分自由度实现的双纳米沉淀有助于我们的CCS中高达1.9 GPa的超高真实拉伸应力。强化作用增强了流动应力,达到了机械孪晶开始的高临界值。反过来,纳米孪晶的形成能够实现进一步的应变硬化和增韧机制,从而提高机械性能。相关研究成果以题“High stress twinning in a compositionally complex steel of very high stacking fault energy”发表在国际著名期刊nature communications上。

      图 1显示了材料在多个长度尺度上的微观结构。该合金在奥氏体 γ (FCC) 基体中表现出带有B2相的部分再结晶结构,由反极图(IPF) (图 1a )和从电子背散射衍射(EBSD)获得的相图 (图 1b )显示。根据多张EBSD图,显微组织中的再结晶区域占57%,平均晶粒尺寸约为1.5 μm,其余(43%)是未再结晶区域,平均尺寸较大,约为10 μm。图 1c中的明场(BF)扫描透射电子显微镜(STEM)图像显示了在晶粒内部和晶界处几乎均匀分布的析出物,尺寸为数百纳米。BF STEM分析(图 1c)还显示了第二种沉淀物的形成(确定为ķķ-碳化物)与 B2相一起,通过覆盖B2相和γ基体之间的界面区域(白色箭头)或与相似尺寸的B2沉淀物(黑色箭头)紧密接触。

      图2 我们使用大块样品在室温下以 1 × 10 -3 s -1的相对低应变率对材料进行了拉伸试验。典型的线 GPa 的超高真抗拉强度。我们CCS的如此高强度显著优于先前设计的具有类似SFE的轻钢(见图 2a)。除了高密度的位错外,图 2b中的高角度环形暗场(HAADF)STEM 图像显示在该应变阶段形成了多个平行薄板。高分辨率HAADF STEM观察清楚地揭示了原子平面的孪晶(图 2c),相应的FFT图进一步显示了110基体//011孪晶系统,这是FCC合金中常见的孪晶系统(图2c、2d )。

      图3 为了更好地了解这些机械孪晶的形成机制,我们进行了原位TEM拉伸试验(图 3 a - h)。

      图4 我们通过随后的高分辨率TEM分析进一步研究了原位TEM拉伸试验后裂纹附近的样品区域。在图 4a中可以看到多个双胞胎,高分辨率TEM图像显示出双胞胎结构(图 4b)。在原位拉伸试验后也检测到多个堆垛层错(图 4a)。图 4c中的TEM图像揭示了FCC矩阵中原子的错误堆叠序列。

      总之,我们展示了在具有非常高SFE(~79 mJ/m 2)的基于FCC的轻质CCS(毫米级)的准静态拉伸测试期间变形纳米孪晶的激活,这是一种有趣的机制组合,具有基本相关性在金属材料的塑性变形领域。由于ķκ-碳化物和B2相,通过我们特定的合金设计策略,CCS 显示出非常高的拉伸应力,从而达到了迄今为止传统轻钢无法达到的临界孪晶应力。高应力孪晶现象在变形后期提供了显著的应变硬化,从而抑制了基体和B2相之间非共格界面处裂纹的形核,从而导致材料具有优异的延展性。因此,我们的研究显示了一种有前途的设计策略,通过触发具有高SFE的高性能结构材料中以前无法实现的变形机制,以提高其机械性能。返回搜狐,查看更多

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