《Scripta Materialia》:新策略!纳米粒子增强高性能高弹性模量钢































































































































































































































































































































































































































































































































































钢是最重要的结构材料,因为它资源丰富,成本较低,并且具有范围最广的强度和延性组合。由于铁(Fe)的密度与其他轻质合金(例如AlMg)相比较高,钢的比强度(YS/ρUTS/ρ)通常处于劣势,而刚度是相似的。通过先进的合金化和微结构工程,钢的特殊强度可以显着提高,达到或超过先进轻合金的水平。但是,用于提高比强度的策略对钢的杨氏模量(190-210 GPa)没有显著影响,比刚度大约为24-26 GPa·cm3/g,因此,高强度钢制成薄壁部件时无法抵抗较小的变形,例如弯曲挠曲。通过结合刚性和轻质陶瓷相,可以同时提高钢的比强度和比刚度(例如加入二硼化钛TiB2),但是基于Fe-TiB2复合材料制备高模量钢(HMS)存在着增强的机械性能和主流生产制造之间权衡的一大难题。

 

来自美国加利福尼亚大学、北京科技大学等单位的研究人员提出了新的概念,使用低体积分数的纳米颗粒(TiB2)生产高性能高模量钢(HMS,研究纳米处理的Fe-Ti-BHMS的微观结构,相较于传统HMS力学性能更高,屈服强度达510MPa,抗拉强度达950MPa,同时保持高杨氏模量、低密度和延展性,满足大规模生产条件。相关论文以题为“Nano particle enabled high performance high modulus steels”发表在Scripta Materialia


论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113954


本文通过熔融盐混合物将少量异质形核剂TiB2纳米颗粒(7.35%-12%)加入到共晶Fe-5.53Ti-2.29B中,此过程称为纳米处理(NT),而后以小于5K/s的冷却速率缓慢凝固(接近平衡凝固)。冷却后将铸锭在1050℃锻造成矩形棒,后进行炉冷以消除残余应力。

 

图1 (a)传统铸造HMS的SEM图;(b)NT HMS的SEM图;(c)NT HMS中Fe2B薄片放大图;(d)NT HMS的热加工后Fe2B颗粒图;(e)Fe2B片层和TiB2之间EBSD图;(f)热加工后TiB2和Fe2B形态变化


图2 NT HMS和RHMS的HAADF-STEM图

 

图3 过共晶HMS凝固过程中的相演变示意图和计算的相图结果

 

研究发现纳米处理的合金具有更细小的TiB2颗粒,还发现超细Fe2B薄片出现在铁基体中,而Fe2B通常被认为是有害相,在HMS中由于脆化作用、较低的比刚度和较弱的强化效果而不被看好。因此在最初的试验中通过添加过量的Ti抑制Fe2B形成,经过纳米处理后发现有过量的Ti,Fe2B仍存在。经过分析得知,异质TiB2纳米颗粒会引起意外的凝固途径,从而形成异常的相态,进而导致细微的TiB2颗粒嵌入纳米级的Fe2Ti,在熔体中,主要的TiB2团簇之间留有贫Ti区域,以允许形成超细的Fe2B薄片,经过热加工薄片破碎成纳米级Fe2B颗粒,在HMS中提供良好的强化作用。

 

图4 经不同处理HMS的性能结果

 

本文提出了一种新型纳米粒子诱导的HMS结构,使用少量TiB2作为异质形核剂,主要是TiB2颗粒与Fe2Ti具有共格界面,其次铁基体变得贫Ti,促进了Fe2B薄片的形成,热加工后变为颗粒,保持了高杨氏模量(251GPa)和比刚度(34 GPa·cm3/g),同时实现了高力学性能。这种方法为生产HMS提供了一种创新途径,未来有望应用于其他合金系统。(文:破风


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