新型层片含铝双相钢的制备及其优异力学性能

      钢铁材料强韧力学性能的提升是国内外结构钢科研人员的主要研发方向之一。传统形变强化、细晶强化、固溶强化、相变强化等强化手段可以明显提高钢铁材料的强度力学性能。已有高韧性奥氏体钢则主要通过奥氏体相中位错的交滑移的特性来降低由位错面滑移引起的微区应力集中，提高钢中裂纹尖端微区变形能力，进而明显提高韧性。通常钢铁材料的韧性性能随着强度的提高而降低，同时获得高强度和高韧性在钢铁材料中较难实现。除了传统合金化和细晶化的强韧化思路以外，借鉴复合材料构造层片状复合结构来获得高强度和高韧性的方法也在钢铁材料中尝试和实践。

      在对中锰钢和含铝低密度钢等汽车钢的研究过程中发现，中高铝含量的Fe-Mn-Al-C合金体系中可以获得类似层片状特征组织。首先使用热力学计算软件Thermal-Calc对低碳中锰中铝合金体系进行系统评估，合成并绘制适用于低碳中锰中铝合金体系的类Schaeffler相图。结合类Schaeffler相图对该合金体系进行高温两相区合金成分设计和较大压下量热轧工艺设计，通过简单的方法成功制备具有层片状铁素体+马氏体的双相特征组织的一系列新型结构钢。层片双相特征组织在轧面无规则取向，沿厚度方向呈现两相组织均匀交替平行排列，类似于层状金属复合材料。

图1层片热轧双相钢的制备和三维组织表征

  新型层片结构钢充分地发挥了类似层状金属复合材料的高轧面冲击韧性(L-S方向)特点，同时兼备较高的强度和良好的塑性。多个批次实验钢的微观组织结果显示，层片双相钢中铁素体相和马氏体相的相体积分数由奥氏体相形成元素碳和锰与铁素体相形成元素铝的含量比例控制，而层片组织的密集程度由热轧工艺的温度和压下量控制，采用更大的热轧压下量和较低的轧制温度有助于获得更为均匀密集的层片状特征组织。

    制备的新型微米级层片状铁素体和马氏体双相钢表现出高强度和高轧面(L-S方向)冲击韧性的优异力学性能特点，可以获得高达1200MPa抗拉强度/400J轧面冲击韧性或者1450MPa抗拉强度/200J轧面冲击韧性的优异力学性能，超过绝大部分钢铁结构材料的强韧性。

图2层片热轧双相钢轧面(L-S方向)冲击韧性与抗拉强度变化关系不同马氏体相体积分数(左图)和不同热轧工艺制度(右图)

    在大量微观组织观察、力学行为评估、断口和裂纹分析的基础上，论证了层片热轧双相钢的高强高韧性能机制。认为具有较大马氏体相体积分数的层片双相钢通过层片特征组织的弱应变配分行为充分发挥较大体积分数马氏体相的强化作用，从而整体上获得较高强度力学性能。沿厚度方向均匀排列的较软铁素体相和较硬马氏体相层片双相组织对沿厚度方向裂纹扩展具有明显的阻止和导向作用，通过增加裂纹表面积和引入更多的塑性变形增大塑性变形区，进而明显提高L-S方向试样在冲击载荷和弯曲载荷过程中的韧性性能。

   在低碳中锰中铝合金体系中通过两相区合金成分设计和简单热轧工艺设计获得微米级层片状特征组织可以同时获得高强度和特定方向的高韧性力学性能，为钢铁结构材料的高强高韧力学性能探索提供了新的研究思路。