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《钢铁铸造技术重大突破 强度和延展性的结合》

  • 来源专题：工程机械与高端装备
  • 编译者： Hazel
  • 发布时间：2025-04-29

  • 弗劳恩霍夫IWU（Fraunhofer IWU）和弗莱贝格工业大学（TU Bergakademie Freiberg）（德国）的研究人员开发出一种具有TRIP/TWIP特性的冷成型铜合金奥氏体铸钢。该项目由德国科学基金会(DFG)资助。

    在交通沿线岩壁、隧道墙体或地下采矿作业区的岩层锚杆应用中，坠落的岩石可能对锚杆造成损伤。而经测试，这种新型冷成型合金在承受此类载荷时会再次发生硬化，从而提升材料性能。紧固件系统同样能受益于这一特性。

    这项创新的核心在于TRIP/TWIP效应，正是这一效应赋予了新型铸钢卓越性能。TRIP代表“转化诱导的可塑性”，TWIP意为“孪生诱导的可塑性”——这两种机制能使材料在载荷下发生微观结构转变，从而显著提升强度与延展性。

    TRIP效应：在机械应力作用下，部分奥氏体（一种柔软且强韧的结构相）会转变为马氏体（坚硬致密的相）。这种相变会导致材料局部硬化，从而增强其抗开裂性能。

    TWIP效应：在奥氏体中形成所谓的变形孪晶，这些孪晶结构同样能强化材料并提高其韧性。

    弗劳恩霍夫IWU研究所“铸钢冷成形”研究项目负责人娜丁·莱纳特（Nadine Lehnert）解释道，“这两种效应共同作用，显著提升了材料的抗拉强度和机械能吸收能力。而且这两种效应的协同作用不仅大幅增强材料强度，延缓动态载荷下的部件失效，更显著提高了材料在冲击情况下的成形能力和能量吸收性能”

    其工作原理如下：首先，通过冷锻将所考虑的铸钢合金初始坯料加工成具有细晶粒、逆转变奥氏体微观结构的产品。生产流程始于粗晶奥氏体结构——工件首先在挤压模具中减小直径，这种机械应力会因TRIP/TWIP效应（相变诱导塑性/孪晶诱导塑性）导致部分马氏体结构形成。随后的热处理通过马氏体逆转变为奥氏体，使部件晶粒尺寸细化（获得细晶粒）。在高载荷下，部件可能发生开裂（尤其奥氏体结构中），但裂纹不会导致完全失效，而是因结构的马氏体相变而终止。这种重新硬化（马氏体）甚至能进一步提升材料的承载能力。

    高安全性潜力应用领域

    这种新型铸钢的独特性能使其成为安全关键型应用的理想选择，尤其是在对强度、韧性和可靠性要求极高的场景中。

    • 汽车工程：螺钉、底盘部件、碰撞吸能装置和车身结构可受益于该材料的高能量吸收特性与碰撞安全性。
    • 航空航天：结构件和紧固件采用这种新型铸钢后，可实现更轻量化且更高强度的设计。
    • 医疗技术：凭借材料的高生物相容性和强度，植入物和手术器械的性能可进一步优化。
    • 建筑与基础设施：岩层锚杆以及桥梁隧道的紧固元件因材料的高抗裂性而更具安全性。该合金的优势在材料耐久性至关重要的场景中尤为突出——即使面临极端载荷仍能保持稳定性能。

    节能冷成形的关键技术

    这种新型铸钢同样适用于冷锻工艺。该技术可在室温下直接成型部件，从而省去热轧等能耗密集型工序。莱纳特（Lehnert）解释道：“冷成形工艺链显著更短且高效。我们以预铸坯料为起点直接成型，无需热成形所需的加热、轧制和除鳞等高能耗步骤。”

    聚焦可持续性与成本效益

    除技术优势外，该新型铸钢的研发还兼具生态与经济效益：

    • 资源节约与健康性：以铜部分替代镍，既降低了对昂贵稀缺资源的需求，也减少了加工过程中的健康风险。
    • 节能降耗：冷成形能耗远低于热成形，有效减少二氧化碳排放。
    • 成本优化：简化的工艺链、更低的材料用量及气体消耗（冷锻）共同降低了生产成本。

    该团队的研究成果构成了将TRIP/TWIP效应有针对性地用于安全关键应用的基础。弗劳恩霍夫IWU未来的研究工作将侧重于优化成型工艺和有针对性地调整材料性能。莱纳特（Lehnert）补充说，“我们的目标是充分利用TRIP/TWIP效应的潜力，以经济高效的方式生产适用于各种应用的高性能组件”。


  • 原文来源：https://www.all-about-industries.com/innovative-steel-casting-combination-strength-ductility-a-48ec70420fff3b2610b37c01f68d57c3/
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    • 编译者：冯瑞华
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  • 《香港研发高强度/高延展性金属间合金》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-08-28
    • 在高温环境下，金属间合金可能强度很高，但是在室温和低温环境中，其延展性就会很差，限制其应用于航空航天和其他工程领域。不过，据外媒报道，中国香港城市大学（City University of Hong Kong）领导的一个研究小组最近发现，在有序金属间合金晶界处存在无序的纳米层。此类纳米层不仅能够有效解决强度和延展性之间的矛盾，还能够在高温条件下，让合金保持强度以及良好的热稳定性。设计类似的纳米层有可能为设计出具有最佳合金性能的新型结构材料开辟一条道路。 黑科技，前瞻技术，金属间合金,合金,汽车合金 （图片来源：香港城市大学） 与金属一样，金属间合金的内部结构由称为“晶粒”的单晶体构成。金属间合金通常很脆，源于在拉伸变形时，会沿着晶界出现裂纹。在金属间合金中加入硼元素是克服其脆性的传统方法之一。研究人员之一的刘教授在30年前发现，在二元金属间合金（由两种元素构成）中加入硼，可以增强晶界内聚性，从而提升整体的延展性。 近年来，刘教授在研发大块金属间合金（也称为超晶格合金，具有长程原子紧密排列的有序结构）方面也取得了许多重大进展。此类材料的强度很高，可应用于高温结构应用，但在室温条件下通常非常脆以及晶粒会快速粗化（即晶粒尺寸增长），而在高温下晶粒又会快速软化。在此次研究中，刘教授和他的团队在多元素金属间合金中研发了新型“界面纳米无序化”策略，使其在室温下具有高强度、高延展度以及在高温下具有极佳的热稳定性。 另一名研究人员表示：“最开始，我们试图通过优化硼的含量来提高晶界的内聚性，并且预计，当增加硼的含量时，合金会由于其多元素成分而保持超高强度。” 根据传统观点，加入微量（0.1至0.5%）硼原子可增加晶界内聚性，显著提高合金的拉伸延展性。但当加入过量的硼时，此种方法就不会有效果了。 令研究小组惊讶的是，当硼的浓度高达1.5%至2.5%时，掺杂了硼的合金变得非常坚固，但是延展性很好。实验结果证明，含量为2%左右的硼对金属间合金有很好的作用，让其在室温下的屈服强度高达1.6兆帕，延展性达25%。 该研究小组采用不同的透射电子显微镜进行研究发现，当硼的浓度达到1.5%至2.5%，相邻有序晶粒之间形成了独特的纳米层。每个晶粒都被大约5纳米厚的超薄纳米层包裹，而且纳米层本身就有无序的原子结构。在拉伸试验中，纳米层作为相邻晶粒之间的缓冲带，让晶界发生塑性变形，从而在超高屈服强度下实现了较大的拉伸延展性。 该研究小组发现，硼含量的增加进一步增强了“多元素共分离”（multi-element co-segregation）现象，即多种元素沿着晶界分界。在香港城市大学先进3D原子探针层析成像技术的帮助下，研究人员在纳米层中观察到高浓度的硼、铁和钴原子。相比之下，镍、铝和钛基本都被耗尽了。因此，此种独特的元素分界导致纳米层内部出现纳米级无序化，有效抑制了沿着晶界产生的裂缝，提升了合金的延展性。 此外，在评估合金的热响应能力时，该研究小组发现即使在1050°C的高温下退火120个小时后，晶粒增加的尺寸也可忽略不计。这一点让研究小组特别惊讶，因为大多数结构材料在高温下，其晶粒尺寸通常都会快速增长，导致强度迅速下降。 研究人员认为，在纳米层抑制晶粒尺寸增长以及保证其在高温下的强度非常关键，无序纳米层的热稳定性可让合金适合高温结构应用。 刘教授表示：“在此种合金中发现无序纳米层将对未来高强度材料的发展产生重大影响。而且，此种方法可用于高温环境下的结构材料，如航空航天、汽车、核能和化学工程等领域的结构材料。”
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