哈工程张中武教授团队：通过沉淀相析出调节层错能实现高锰钢中强塑性协同提升

第一作者：程浩；通讯作者：孙利昕；张中武

通讯单位：哈尔滨工程大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.032

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本研究提出利用高密度沉淀相析出调节基体层错能、合金变形行为和力学性能的方法，并在一种具有临界层错能的高锰奥氏体钢中利用高密度V碳化物析出实现了强塑性提高，验证了上述观点。

文章以“Enhancing strength–ductility synergy in high-Mn steel by tuning stacking fault energy via precipitation”为题发表于Journal of Materials Science & Technology。论文第一作者为博士研究生程浩，通讯作者为孙利昕副教授和张中武教授，哈尔滨工程大学为唯一通讯单位。

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研究背景

金属材料的加工硬化能力和塑性通常随强度提高而下降。随着SFE降低，面心立方 (FCC) 结构合金在变形过程中发生的形变诱发孪生和马氏体相变，能够有效提高加工硬化能力，抑制应变局部化。本文提出一种利用沉淀相析出调节基体全局层错能的方法，设计了层错能在孪生和相变临界范围的含V元素高锰奥氏体钢，利用碳化物析出降低基体全局碳含量和层错能，在拉伸变形过程中获得了更细小的形变孪晶，引入了六方面马氏体，有效提高了合金加工硬化率，实现了沉淀强化态优异的强塑性配合。高锰奥氏体钢是极具潜力的高强度无磁性结构材料，基于该方法设计的高锰奥氏体钢具有高强度、高塑性、无磁性、易焊接等优势，在大型电力设备、大型科学装置、强磁场环境等领域具有广阔应用前景。

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本文亮点

(1) 提出一种利用沉淀相析出调节基体成分和层错能的方法，在沉淀强化的同时提高合金的加工硬化能力；

(2) 设计了一种层错能在相变和孪生临界范围的含V元素的高锰钢，利用碳化物析出降低基体碳含量和层错能，在拉伸变形过程获得了更细小的变形孪晶，引入了形变诱发六方马氏体，提高了沉淀强化合金的加工硬化能力；

(3) 系统表征和测量了合金层错能、孪晶特征和相变行为随沉淀相析出的变化过程。

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图文解析

图 1WQ（固溶态）、Aged15（峰时效）和Aged60（过时效）三种状态高锰钢的XRD谱，拉伸变形前均为单相奥氏体组织。

图 2(a–c) 分别为WQ、Aged15和Aged60三种状态的EBSD-IPF图，拉伸变形前三种状态具有相近的晶粒尺寸。

图 3WQ、Aged15和Aged60的室温工程应力应变曲线 (a) 和真应力应变曲线 (b)。

图 4WQ-T、Aged15-T和Aged60-T三种状态拉伸变形后的XRD谱，WQ和Aged15在拉伸变形后依然为单相奥氏体，Aged60样品拉伸后中存在体积分数约14%的六方马氏体。

图 5WQ-T样品中典型的变形结构：(a) TEM-BF图像；(b) 为 (a) 对应的SAED谱；(c, d) 为典型变形孪晶结构的HRTEM图像。固溶态样品拉伸变形后产生大量变形孪晶结构。

图 6Aged15-T样品中的典型变形结构：(a) TEM明场像和SAED谱；(b) 图(a)中选框位置的HADDF像及对应的EDS-mapping结果(b1–b4)；(c-f) 变形孪晶以及V4C3析出相的HRTEM像。峰时效样品拉伸变形后同样产生了大量的变形孪晶结构。基体中观察到了V4C3沉淀相，与基体具有相同的FCC晶体结构类型，并且与基体保持共格关系。

图 7Aged60-T样品的典型变形结构：(a) TEM明场像；(b) ε马氏体的HRTEM像；(c–e) V4C3的HRTEM像；(f) 基于(c) 的基体与V4C3的FFT示意图。碳化物重复析出的Aged60样品拉伸变形结构中除发现了大量变形孪晶外，还发现具有密排六方结构的ε马氏体，与图4中XRD结果一致。

图 8(a1–c1) 分别为三种状态样品拉伸后变形孪晶结构的TEM明场像，(a2–c2) 为对应的孪晶层片厚度统计结果。随着时效时间延长和沉淀相析出进行，基体中的孪晶层片厚度明显减小。

图9WQ、Aged15和Aged60三者的SFE计算结果。V4C3的析出消耗了基体中固溶碳的含量，导致基体的层错能下降。当基体的SFE设计在孪生变形和六方马氏体相变的临界范围内时，层错能的下降能够明显控制变形孪晶厚度减小，甚至诱发ε马氏体相变，在沉淀强化的基础上显著提高合金的加工硬化能力并保持优异的塑性。

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总结与展望

本研究提出了一种使用高密度沉淀相析出调节基体层错能和变形机制的方法，基于此思想设计了具有临界层错能的高锰奥氏体钢，通过析出V的碳化物调节全局层错能和变形机制，并提高其综合强塑性。这种利用沉淀相析出调节基体层错能的方法可用在利用沉淀强化的同时，抑制了沉淀相析出可能带来的持续加工硬化能力下降，在同类金属材料中具有广泛适用性。高锰奥氏体钢是极具潜力的高强度无磁性结构材料，基于该方法设计的高锰奥氏体钢具有高强度、高塑性、无磁性、易焊接等优势，在大型电力设备、大型科学装置、强磁场环境等领域具有广阔应用前景。

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作者介绍

孙利昕（通讯作者）：哈尔滨工程大学副教授，主要研究方向为纳米结构高性能金属材料及其在船舶和核工程中的应用、基于透射电子显微学和中子衍射的金属变形行为研究、高性能电磁功能性金属材料研究等，主持国家自然基金面上项目、中核集团青年英才项目等8项，作为技术负责人参与国家重点研发项目2项。在Journal of Materials Science & Technology, Scripta Materialia, International Journal of Plasticity等国际期刊发表论文30余篇。

张中武（通讯作者）：哈尔滨工程大学教授，黑龙江省“龙江学者”讲座教授，黑龙江省杰出青年基金获得者。主要研究方向为纳米相强化技术及其在高性能船舶与核用金属材料中的应用、中子散射技术及其在金属材料中的应用、高强度高韧性易焊接船用钢、定向再结晶技术、超弹性高阻尼合金等。主持国家重点研发计划项目2项，主持国家自然科学基金项目叶企孙基金重点项目、面上项目、工信部项目、产学研项目等40余项。在Journal of Materials Science & Technology、Science Advances、Advanced Science等国际期刊发表论文130余篇。获得黑龙江省科技进步一等奖1项、专利银奖1项，中国造船工程学会技术发明二等奖1项、中国产学研合作创新成果二等奖1项，中国船舶与海洋工程行业优秀专利奖1项等多项科技荣誉。

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引用本文

Hao Cheng, Lixin Sun, Wentao Li, Yang Zhang, Ye Cui, Dan Chen, Zhongwu Zhang, Enhancing strength–ductility synergy in high-Mn steel by tuning stacking fault energy via precipitation, J. Mater. Sci. Technol. 187 (2024) 240-247.

来源 | 知识分子、科研城邦。