Низкотемпературная сверхпластичность и термическая стабильность наноструктурированных материалов

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 18656 (2016) Цитировать эту статью

3773 Доступа

9 цитат

Подробности о метриках

Впервые описана низкотемпературная сверхпластичность наноструктурированной низкоуглеродистой стали (микролегированной V, N, Mn, Al, Si и Ni). Низкоуглеродистую нанозернистую/ультрамелкозернистую (НГ/УМЗ) объемную сталь обрабатывали с использованием сочетания холодной прокатки и отжига мартенсита. Сложная микроструктура феррита НГ/УМЗ и цементита размером 50–80 нм показала высокую термическую стабильность при 500 °С с низкотемпературным удлинением, превышающим 100% (при менее 0,5 абсолютной температуры плавления) по сравнению с обычными мелкозернистыми (ФГ) ) аналог. Низкотемпературная сверхпластичность достаточна для образования сложных компонентов. Более того, низкая прочность во время горячей обработки способствует уменьшению упругости и минимизации потерь в штампе.

Сверхпластичность характеризуется как способность материала выдерживать большую пластическую деформацию до разрушения1,2,3, что хорошо документировано для титановых сплавов4,5,6. Среди различных механизмов упрочнения металлов измельчение зерна считается подходящим и удобным методом одновременного повышения прочности и ударной вязкости7,8,9,10,11. Наноструктурированные нержавеющие стали, обработанные с помощью комбинации сильной холодной деформации (>65%) с последующим фазовым реверсивным отжигом, продемонстрировали превосходное сочетание прочности и пластичности, включая высокое соотношение прочности и веса, износостойкость, а также благоприятную клеточную активность. В этом подходе сильная деформация метастабильного аустенита при комнатной температуре приводит к деформационному превращению аустенита в мартенсит. При отжиге этот сильно деформированный мартенсит, вызванный деформацией, снова превращается в аустенит либо посредством мартенситного сдвига, либо посредством диффузионного механизма реверсии12,13,14. Таким образом, существует большой потенциал для использования наноструктурированных нержавеющих сталей вместо традиционных крупнозернистых аналогов. Однако в большинстве систем наноструктурированных сплавов пластичность ограничена из-за отсутствия способности к деформационному упрочнению3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Таким образом, улучшение пластичности продолжает оставаться предметом интереса. Внимание также было уделено высокотемпературной сверхпластичности для формирования компонентов сложной формы и изогнутых деталей посредством зернограничной инженерии2,17. В ультрамелкозернистых (УМЗ) материалах важнейшим механизмом сверхпластичности считается зернограничное скольжение. Мелкий размер зерен предпочтителен, поскольку количество границ зерен, участвующих в скольжении, велико, а расстояние для аккомодации за счет диффузии и/или скольжения невелико18. Здесь мы исследуем сверхпластичность в микролегированной низкоуглеродистой нанозернистой/ультрамелкозернистой (НГ/УМЗ) объемной стали при повышенной температуре, но значительно ниже температуры плавления 0,5 (Tm).

Нет сомнения, что область применения сверхпластической формовки станет еще более широкой, если удастся снизить температуры деформации за счет снижения энергозатрат и значительного снижения окисления поверхности. Сверхпластичность нанокристаллического никеля наблюдалась при температуре 470 °С, что соответствует 0,36 Тм1. Мелкозернистый магниевый сплав AZ91 продемонстрировал сверхпластические свойства в диапазоне низких температур 150–250 °C (0,46–0,57 Тм)19. Обнаружено, что высокоуглеродистые мелкозернистые (ФГ) стали (содержащие 1–2% С по массе) проявляют сверхпластичность при 0,5–0,65 Тм и скорости деформации ~10–4–10–3 с20,21. Однако важно, чтобы формовочная сталь обладала высокой термической стабильностью, чтобы сохранять тонкую микроструктуру и обеспечивать выдающиеся механические свойства конечного продукта21. Исследования сверхпластичности сталей при температурах менее 0,5 Тм, особенно широко используемых низкоуглеродистых сталей, насколько мы понимаем, еще не изучены.

На рис. 1а представлены микрофотографии экспериментальных сталей, подвергнутых повторному нагреву при 900 °С с последующей закалкой в ​​воду, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Во время повторного нагрева мартенситной микроструктуры, закаленной в воде, на границах предшествующих аустенитных зерен и мартенситной решетке зародилось мелкодисперсный аустенит. После второй стадии закалки микроструктура представляла собой мелкие мартенситные пластины шириной ~300–500 нм. Размер зерен предварительного аустенита составлял 3–6 мкм, при выдержке при 900 °С образовывались выделения VN размером 20–30 нм, которые распределялись внутри зерен предварительного аустенита и мартенситных пластин (рис. 1б). Добавление N в микролегированные стали V уменьшает инкубационный период выделения карбонитрида V и увеличивает объемную долю из-за более высокого произведения растворимости V и N. Согласно произведению растворимости VN в аустените (уравнение 1)22, Температура полного растворения ВН в опытной стали составляет 1102 °С. Эффект закрепления VN снизил скорость укрупнения предшествующих аустенитных зерен. После холодной прокатки до толщины 1,6 мм были получены неоднородные мартенситные пластины шириной 100–150 нм и 150–250 нм (рис. 1в), тогда как в холоднокатаной пластине толщиной 0,9 мм мартенситные пластины шириной 100–150 нм параллельно направлению прокатки (рис. 1г). Таким образом, сверхпластичность была изучена в холоднокатаном листе толщиной 0,9 мм из-за мелкой и однородной исходной микроструктуры.