日本鋼材高強度高性能化的典型成果

在過去十年間，日本在鋼鐵材料高強度化高性能化的研究方面有了很大進展。為了實現(xiàn)進一步的高強度化，馬氏體和貝氏體的利用是不可或缺的。但目前對馬氏體、貝氏體的轉變尚有許多不明之處。因此很難對馬氏體、貝氏體的轉變進行控制。眾多學者在前輩創(chuàng)造的大量研究成果的基礎上，利用最先進的試驗裝置和模擬技術，在闡明馬氏體、貝氏體的轉變機制研究方面做出巨大貢獻。

1兼有高強度、高延性的復合鋼板

簡言之，復合鋼板就是高強度鋼板和高延性鋼板疊層制成的復層鋼板。過去對這種復合鋼板進行的許多研究多是關于復合鋼板兼有強度和韌性的研究，關于延性的研究很少。日本東京大學材料組織工學研究室的“復合鋼板研究”項目的研究目的是開發(fā)出抗拉強度1200MPa、伸長率大于20%的復合鋼板。為保證焊接性，將低碳鋼作為基層。因此，復層高強度鋼板必然是低韌性的馬氏體鋼。這種用脆性材料做復層的復合鋼板的延性不同于強度，不遵從復合法則。復合鋼板的延性與脆性復層延性相同，非常之低。

研究人員對復合鋼板變形的斷裂形態(tài)進行了研究，對伴隨脆性復層單獨斷裂的Tunnel裂紋和因剝離發(fā)生的H型斷裂裂紋進行理論和試驗研究，提出了抑制阻礙均勻變形的斷裂設計原則。研究指出，脆性復層即馬氏體鋼的斷裂韌性與層厚的關系、與界面強度的關系對于抑制均勻變形的斷裂十分重要。此外，通過對復合鋼板構成材料的特性、溶質元素相互擴散、界面組織等因素的控制，使不銹鋼基層、低合金鋼基層的復合鋼板的強度和延性達到了預定目標，如圖1所示。此外，對這些復合鋼板的加工性、焊接性、抗氫脆性進行評價的結果表明，這些復合鋼板都具有優(yōu)良的特性，而這些特性都是高強度鋼存在問題的特性。

復合鋼板的一個優(yōu)點是，容易通過改變鋼板構成材料的體積分數(shù)，來改變強度和延性之間的比例。利用這個特點，容易使高強度脆性馬氏體復層在拉伸負荷下發(fā)生50%以上的變形。另外，在復合鋼板研究方面，還開發(fā)出將廢鋼作為高強度復層的復合鋼板（尖端低碳化技術開發(fā)事業(yè)：ALCA）、以中高碳鋼為基層的復合鋼板（新結構材料技術研究團隊：ISMA）。為了使復合鋼板的構成材料——高強度鋼板和高延性鋼板具有良好的接合狀態(tài)，必須進行熱處理，所以考慮轉變溫度和碳活度的成分設計和熱處理條件確定是不可或缺的。中高碳鋼鋼板為基層時，基層鋼板是回火馬氏體鋼或TRIP鋼。研究人員針對通過組織控制使這種復合鋼板的強度、斷裂韌性、延性達到最佳化的問題進行了試驗。試驗結果如圖1所示，強度和延性達到最佳化，但馬氏體基層復合鋼板兼有強度和斷裂韌性以及TRIP鋼的加工硬化性即殘余奧氏體量的控制問題尚須進一步研究。目前關于提高復合鋼板構成材料性能的組織控制原則正在研究中。

復合鋼板開發(fā)的實例之一，是比強度高但加工性差的鎂合金和高延性奧氏體不銹鋼的復合鋼板。該研究的關鍵是鋼和鎂合金的界面設計。過去，由于這兩種材料具有熔點差且相互不固溶，使鋼和鎂合金材料接合有很大困難。研究人員著眼于鎂合金中的添加元素，采用錳的界面偏析的滲透法以及向界面插入金屬與鎂的共晶液，使Fe-Al系金屬間化合物微細均勻形成的Reactive-TLP法，成功開發(fā)出具有牢固界面的復合鋼板。該研究是與瑞士聯(lián)邦理工學院洛桑分校（EPFL）的團隊共同進行的。

2馬氏體大變形行為研究

鋼中最高強度的馬氏體由于低延性、低韌性，所以很難使單體馬氏體發(fā)生變形。過去關于馬氏體變形行為的研究僅限于百分之幾的拉伸應變和軋制應變等復雜應力場中的變形。日本研究人員利用復層化方法使馬氏體發(fā)生50%以上的均勻拉伸變形（圖2），在世界上率先對此前的未知領域馬氏體大變形行為進行了研究。在拉伸變形板條馬氏體的組織變化研究中，使用SEM對馬氏體大變形行為進行實時動態(tài)觀察，用數(shù)字圖像相關法（DIC）測定馬氏體大變形中的應變分布，用SEM/EBSD測定了馬氏體塊晶體學取向轉動和馬氏體塊亞邊界的形成。與鐵素體相比，雖然馬氏體變形和鐵素體變形時起因于bcc結構的滑移系相同，但兩者變形過程中的滑移方向選擇性完全不同，馬氏體變形中的滑移是板條馬氏體特有的滑移。研究人員分別對依存于板條形態(tài)的滑移系、板條面內的滑移系、板條面外的滑移系的滑移進行了研究。這些滑移系的易動度存在差異，當變形進行時，發(fā)生起因于板條馬氏體微細組織的滑移系的遷移，引起應變的分布和結晶學取向的轉動。由此可對馬氏體的變形行為進行推斷。另一方面，馬氏體的變形行為非常復雜。一個馬氏體塊內不同部位結晶學取向的轉動也不同。這是馬氏體的復雜形態(tài)和與相鄰馬氏體塊的相互作用影響的結果，但影響機制目前尚未完全闡明。此前雖然使用各種方法對不同碳含量的馬氏體變形行為進行了考察，但要闡明馬氏體變形整體的機制、查明馬氏體變形與力學性能的關聯(lián)性還需要進行進一步的深入研究。

3切變型轉變中組織的形成機制

過去已經(jīng)對以馬氏體、貝氏體為強度相的多相鋼進行了許多研究。最近，Q＆P鋼和TRIP鋼韌性提高的關鍵——殘余奧氏體的控制研究受到關注。從馬氏體、貝氏體特性提高和殘余奧氏體的控制方面闡明切變型轉變的馬氏體、貝氏體組織的形成機制非常重要。研究人員用共焦點激光顯微鏡對馬氏體、貝氏體的切變型轉變進行了實時動態(tài)觀察，并與SEM/EBSD的晶體學解析相結合對切變型轉變組織形成機制進行了研究。觀察結果表明，低碳低合金鋼的馬氏體轉變時，首先形成馬氏體塊將奧氏體晶粒分割，然后，首先生成的馬氏體塊和具有屬于共有最密排面的馬氏體束的各馬氏體塊合并成為馬氏體轉變的最終組織。在轉變初期的馬氏體塊將奧氏體晶粒分割階段，為了對試樣表面進行觀察，選擇的各觀察方向是試樣外形變形方向垂直于試樣表面的方向。在轉變初期之后的馬氏體包圍的奧氏體區(qū)域，屬于同一馬氏體束的各取向馬氏體同時生成，產(chǎn)生自緩解效果，有利于系統(tǒng)能量的降低。對碳含量不同以及有應力梯度、成分梯度條件下的馬氏體轉變也進行了研究。通過這些研究可以對馬氏體轉變的組織進行控制。

此外，日本研究人員對貝氏體轉變也進行了同樣的研究，進行了Genus-3D和EBSD組合的三維組織解析，查明貝氏體轉變溫度和碳含量對貝氏體組織形成和組織形態(tài)的影響。此外，日本研究人員還將對確立控制奧氏體的原則繼續(xù)進行研究。