超细BCC-FCC双相钢 高性能材料研发新方向
发布时间：2017-09-28 责任编辑：力源不锈钢网 来源：冶金信息
力源不锈钢网讯：超高强度钢的应用范围很广，包括机械制造、车辆工程、建筑设施、海洋平台等各个方面，而且其应用范围逐渐扩大到重要的基础工业和国防工业，例如装甲车的防弹钢板、大型运输机的起落架和火箭的发动机外壳等一些特殊领域。在这些领域，超高强度钢占有不可替代的地位。因此，超高强度钢是高性能钢铁材料研发的重要方向。
但是，按照传统的研发工作，随着钢材强度水平的大幅度提高，其塑性、韧性会显著降低，其强塑积很难提高，甚至还会下降。研究表明，体心立方（BCC）结构的合金钢（贝氏体或者马氏体），抗拉强度可达2300MPa，但强塑积很难超过20GPa%；而面心立方（FCC）结构的合金钢(奥氏体)，塑性可达90%，强塑积甚至可超过60GPa%，但抗拉强度一般不超过1000MPa。充分利用体心立方和面心立方这两种结构钢材的特点，并且结合晶粒超细化，可以使钢材的塑性、韧性基本不降低，而强度和疲劳寿命明显提高。正是在这个思路下，研发出了由微纳米级贝氏体或者马氏体板条与20%～35%残留奥氏体所构成的微纳米级BCC-FCC双相钢，可以同时满足超高强度和高强塑积的要求。
超细BCC-FCC双相钢的强度主要取决于碳以及合金元素的固溶强化、微纳米级贝氏体或者马氏体板条的细晶强化以及高位错密度的位错强化；而它的塑性则主要取决于残留奥氏体的含量、形态和分布。奥氏体是面心立方结构，与体心立方结构相比，在同一温度下具有更多的滑移系，有12个滑移系可同时开动，且奥氏体内位错滑移时派纳力比较小，因此，奥氏体具有非常好的塑性变形能力，可以很好的协调奥氏体晶粒及与其它相的形变。除此之外，残余奥氏体在双相钢中的特殊韧化作用还基于以下几个方面：
一、相变诱发塑性（TRIP）效应
双相钢中，在贝氏体或者马氏体板条间，含有大量的薄膜状残留奥氏体，在较高的应力-应变状态下，残留奥氏体能发生塑性马氏体相变，可以有效缓解局部应力的集中，推迟裂纹的形成和阻止裂的纹扩展，能有效提高组织的整体变形能力，从而推迟缩颈的发生。
二、阻止裂纹扩展（BMP）效应
马氏体或者贝氏体束(或板条)间的块状或者薄膜状残留奥氏体，在应力作用下，可使裂纹分叉，以曲折途径扩展，或者阻碍裂纹扩展。
三、吸收位错（DARA）效应
上海交通大学的研究工作发现，当钢中含有超过10%的残留奥氏体，同时马氏体或贝氏体和残留奥氏体两相处于共格或半共格界面，在均匀形变阶段，马氏体或者贝氏体中的部分位错可以移动到相邻残留奥氏体中，使马氏体或者贝氏体中位错密度减少，残留奥氏体中位错密度增加，由此可以极大地增强硬相马氏体或贝氏体与软相残留奥氏体的协调形变能力。
发新方向
但是，按照传统的研发工作，随着钢材强度水平的大幅度提高，其塑性、韧性会显著降低，其强塑积很难提高，甚至还会下降。研究表明，体心立方（BCC）结构的合金钢（贝氏体或者马氏体），抗拉强度可达2300MPa，但强塑积很难超过20GPa%；而面心立方（FCC）结构的合金钢(奥氏体)，塑性可达90%，强塑积甚至可超过60GPa%，但抗拉强度一般不超过1000MPa。充分利用体心立方和面心立方这两种结构钢材的特点，并且结合晶粒超细化，可以使钢材的塑性、韧性基本不降低，而强度和疲劳寿命明显提高。正是在这个思路下，研发出了由微纳米级贝氏体或者马氏体板条与20%～35%残留奥氏体所构成的微纳米级BCC-FCC双相钢，可以同时满足超高强度和高强塑积的要求。
超细BCC-FCC双相钢的强度主要取决于碳以及合金元素的固溶强化、微纳米级贝氏体或者马氏体板条的细晶强化以及高位错密度的位错强化；而它的塑性则主要取决于残留奥氏体的含量、形态和分布。奥氏体是面心立方结构，与体心立方结构相比，在同一温度下具有更多的滑移系，有12个滑移系可同时开动，且奥氏体内位错滑移时派纳力比较小，因此，奥氏体具有非常好的塑性变形能力，可以很好的协调奥氏体晶粒及与其它相的形变。除此之外，残余奥氏体在双相钢中的特殊韧化作用还基于以下几个方面：
一、相变诱发塑性（TRIP）效应
双相钢中，在贝氏体或者马氏体板条间，含有大量的薄膜状残留奥氏体，在较高的应力-应变状态下，残留奥氏体能发生塑性马氏体相变，可以有效缓解局部应力的集中，推迟裂纹的形成和阻止裂的纹扩展，能有效提高组织的整体变形能力，从而推迟缩颈的发生。
二、阻止裂纹扩展（BMP）效应
马氏体或者贝氏体束(或板条)间的块状或者薄膜状残留奥氏体，在应力作用下，可使裂纹分叉，以曲折途径扩展，或者阻碍裂纹扩展。
三、吸收位错（DARA）效应
上海交通大学的研究工作发现，当钢中含有超过10%的残留奥氏体，同时马氏体或贝氏体和残留奥氏体两相处于共格或半共格界面，在均匀形变阶段，马氏体或者贝氏体中的部分位错可以移动到相邻残留奥氏体中，使马氏体或者贝氏体中位错密度减少，残留奥氏体中位错密度增加，由此可以极大地增强硬相马氏体或贝氏体与软相残留奥氏体的协调形变能力。
发新方向
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