多层结构、共格纳米析出相和纳米孪晶协同增强Maraging/ TWIP多层复合钢设计及强韧化机理研究

For the conventional strengthening technology (such as solution strengthening, precipitation strengthening and work hardening), the disadvantage is that the plasticity and toughness of metal materials decrease with the increasing strength. Base on the design concept of strengthening by nano scale ordered phase and nano twins and toughening by multi-layer interface and coherent interface, TWIP steel with low yield strength, yield ratio and ultra high plasticity and maraging steel with high yield strength, yield ratio will be adopted in this study. The Maraging/TWIP nano multi-layer composite steel will design by computational materials science and thermodynamics, and then prepare by vacuum hot rolling and accumulative roll bonding technology. The effect of different process parameters on microstructure, interface structure, nano twins, coherent ordered nano precipitates and mechanical properties will be studied. The crack initiation, crack propagation path and fracture mechanism of multi-layer composite steel will be discussed, the purpose of which is to achieve the synergistic effect of strengthening and toughening by layer interface, coherent ordered phase and nano twins.

针对传统强化方式（弥散强化、固溶强化和加工硬化等）往往以牺牲塑韧性为代价来提高金属材料强度的缺点，本项目综合纳米有序析出相和纳米孪晶增强，多层复合界面和共格界面增韧的设计理念，选择具有低屈服强度和屈强比、超高塑性的TWIP钢和具有超高屈服强度、屈强比的马氏体时效钢，以材料计算学及热力学为基础进行成分、结构设计，并利用真空热轧和累积叠轧方式制备Maraging/TWIP纳米多层复合钢，阐明不同轧制和热处理条件下显微组织、界面结构、纳米孪晶和共格有序纳米析出相的形成规律以及对力学性能的影响规律，揭示系列多层复合钢的裂纹萌生、扩展路径和断裂机理，从而实现层状界面、共格有序相和纳米孪晶的协同强韧化目标。

脆性层和韧性层交替组成的层状复合钢板可以在很大程度上继承脆性层的高强度和韧性层的超高塑性，使其获得高的强度-塑性协同效果。在层状复合材料的设计和加工中，层厚比、最终层厚和界面组织等要素对复合材料的力学性能有较大影响。然而它们对复合钢板界面组织及性能的影响还未有系统研究，关于层状复合钢板强韧化机制的研究文献也较缺乏。本项目以高强度马氏体时效钢和高塑性TWIP钢为组元材料，采用真空热轧法制备了一系列TWIP/Maraging层状复合钢板。通过改变层厚比、最终层厚、硬相层成分以及冷轧加工和时效处理工艺，系统研究了层状复合钢板的界面结构-组织-性能对应关系以及协同强韧化机制。研究发现随着TWIP/Maraging层厚比增加，层状复合钢板的抗拉强度逐渐降低，界面结合能力和延伸率逐渐提高，TWIP钢层的断裂方式从脆性断裂逐渐向韧性断裂过渡，而马氏体时效钢层则一直表现为韧性断裂特征。增大层状复合钢板的热轧压下量可以在不损失其塑性条件下提高强度，这主要归因于细晶强化和界面强化的作用。冷轧+时效处理可以促进复合钢板的界面元素扩散和提高界面结合强度，同时马氏体时效钢层内生成大量Ni3Ti和Fe2Mo纳米析出相，有利于提高复合钢板的强度。随着冷轧压下量增大，马氏体时效钢层的晶粒尺寸逐渐减小，而TWIP钢层在较小冷轧压下量下生成少量孪晶和位错；随着冷轧压下量增加，出现大量形变孪晶和剪切带迅速切割和细化晶粒；最后晶粒细化成纳米晶。层状复合钢板的抗拉强度也随着冷轧压下量增加出现先升高后急剧下降现象。冷轧至3 mm的层状复合钢板进行时效处理后呈现出良好的力学性能：1527 MPa的抗拉强度、22%的断后延伸率和564 MPa的剪切强度。TWIP/Maraging层状复合钢板的强化机制主要包括传统的细晶强化和位错强化以及由层状结构和多层异质界面引起的载荷传递强化和背应力强化，还包括TWIP钢层的孪晶以及马氏体时效钢层的纳米析出相等协同强化。增韧机制主要是与层状结构有关的裂纹偏转、裂纹钝化、裂纹桥接、多重隧道裂纹和应变重新分布等。