鋼鐵材料強(qiáng)韌力學(xué)性能的提升是國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)鋼科研人員的主要研發(fā)方向之一。傳統(tǒng)形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等強(qiáng)化手段可以明顯提高鋼鐵材料的強(qiáng)度力學(xué)性能。已有高韌性?shī)W氏體鋼則主要通過(guò)奧氏體相中位錯(cuò)的交滑移的特性來(lái)降低由位錯(cuò)面滑移引起的微區(qū)應(yīng)力集中，提高鋼中裂紋尖端微區(qū)變形能力，進(jìn)而明顯提高韌性。通常鋼鐵材料的韌性性能隨著強(qiáng)度的提高而降低，同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高韌性在鋼鐵材料中較難實(shí)現(xiàn)。除了傳統(tǒng)合金化和細(xì)晶化的強(qiáng)韌化思路以外，借鑒復(fù)合材料構(gòu)造層片狀復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)獲得高強(qiáng)度和高韌性的方法也在鋼鐵材料中嘗試和實(shí)踐。

      在對(duì)中錳鋼和含鋁低密度鋼等汽車鋼的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，中高鋁含量的Fe-Mn-Al-C合金體系中可以獲得類似層片狀特征組織。首先使用熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermal-Calc對(duì)低碳中錳中鋁合金體系進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，合成并繪制適用于低碳中錳中鋁合金體系的類Schaeffler相圖。結(jié)合類Schaeffler相圖對(duì)該合金體系進(jìn)行高溫兩相區(qū)合金成分設(shè)計(jì)和較大壓下量熱軋工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的方法成功制備具有層片狀鐵素體+馬氏體的雙相特征組織的一系列新型結(jié)構(gòu)鋼。層片雙相特征組織在軋面無(wú)規(guī)則取向，沿厚度方向呈現(xiàn)兩相組織均勻交替平行排列，類似于層狀金屬?gòu)?fù)合材料。

圖1層片熱軋雙相鋼的制備和三維組織表征

  新型層片結(jié)構(gòu)鋼充分地發(fā)揮了類似層狀金屬?gòu)?fù)合材料的高軋面沖擊韌性(L-S方向)特點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)漭^高的強(qiáng)度和良好的塑性。多個(gè)批次實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織結(jié)果顯示，層片雙相鋼中鐵素體相和馬氏體相的相體積分?jǐn)?shù)由奧氏體相形成元素碳和錳與鐵素體相形成元素鋁的含量比例控制，而層片組織的密集程度由熱軋工藝的溫度和壓下量控制，采用更大的熱軋壓下量和較低的軋制溫度有助于獲得更為均勻密集的層片狀特征組織。

    制備的新型微米級(jí)層片狀鐵素體和馬氏體雙相鋼表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高軋面(L-S方向)沖擊韌性的優(yōu)異力學(xué)性能特點(diǎn)，可以獲得高達(dá)1200MPa抗拉強(qiáng)度/400J軋面沖擊韌性或者1450MPa抗拉強(qiáng)度/200J軋面沖擊韌性的優(yōu)異力學(xué)性能，超過(guò)絕大部分鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌性。

圖2層片熱軋雙相鋼軋面(L-S方向)沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度變化關(guān)系不同馬氏體相體積分?jǐn)?shù)(左圖)和不同熱軋工藝制度(右圖)

    在大量微觀組織觀察、力學(xué)行為評(píng)估、斷口和裂紋分析的基礎(chǔ)上，論證了層片熱軋雙相鋼的高強(qiáng)高韌性能機(jī)制。認(rèn)為具有較大馬氏體相體積分?jǐn)?shù)的層片雙相鋼通過(guò)層片特征組織的弱應(yīng)變配分行為充分發(fā)揮較大體積分?jǐn)?shù)馬氏體相的強(qiáng)化作用，從而整體上獲得較高強(qiáng)度力學(xué)性能。沿厚度方向均勻排列的較軟鐵素體相和較硬馬氏體相層片雙相組織對(duì)沿厚度方向裂紋擴(kuò)展具有明顯的阻止和導(dǎo)向作用，通過(guò)增加裂紋表面積和引入更多的塑性變形增大塑性變形區(qū)，進(jìn)而明顯提高L-S方向試樣在沖擊載荷和彎曲載荷過(guò)程中的韌性性能。

   在低碳中錳中鋁合金體系中通過(guò)兩相區(qū)合金成分設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單熱軋工藝設(shè)計(jì)獲得微米級(jí)層片狀特征組織可以同時(shí)獲得高強(qiáng)度和特定方向的高韌性力學(xué)性能，為鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的高強(qiáng)高韌力學(xué)性能探索提供了新的研究思路。