低密度耐磨高錳鋼強韌化與斷裂的演化機制獲揭示

廣東省科學院新材料研究所先進鋼鐵研究團隊聯合香港生產力促進局及烏克蘭國家科學院合金物理工藝研究所，研究揭示低密度耐磨高錳鋼強韌化與斷裂的演化機制。相關研究近日發表于Materials Science and Engineering: A。廣東省科學院新材料研究所鄭志斌博士為該論文第一作者，香港生產力促進局楊浩坤博士為通訊作者。

高錳鋼（Hadfield steel）作為最重要的耐磨材料之一，被廣泛應用在礦山、冶金、水泥、電力、建材、鐵路、海工等國家關鍵行業中。它在面臨沖擊磨損過程中的強沖擊和大壓力等問題時表現出的優異耐磨性，是其他材料難以比擬的。這主要歸功于高錳鋼出色的加工硬化能力，然而也正是需要依靠加工硬化，使得高錳鋼在低應力磨損條件下服役效果不理想。同時，“雙碳”戰略目標要求高端粉磨破碎裝備具備運轉高效化及低能耗化，關鍵核心耐磨構件材料的輕量化是重要途徑之一。

為實現高錳鋼的輕量化效果，鋁元素被考慮添加到高錳鋼中，并配合合適的熱處理與人工時效強化，可以進一步提升低密度高錳鋼的力學性能。但是如何調控鋁元素含量并配合后續熱處理工藝制度是一個比較復雜的問題，長期以來受到國內外學者關注。

在該項工作中，研究人員深入開展了低密度高錳鋼的元素設計、材料性能優化、熱處理制度與斷裂機制等方面的研究。結果表明，通過調整高錳鋼中鋁元素含量，可以調控高錳鋼強韌化機制從孿生誘發強化轉變為變形帶強化；并通過高溫水韌處理配合低溫人工時效熱處理，引入納米級κ-碳化物析出相得以提升材料屈服強度和表面硬度。

該研究結果證實了通過鋁元素添加實現低密度耐磨鋼設計的可能性，并有望拓展耐磨高錳鋼在低應力磨損工況下服役的應用。

上述研究得到廣東省國際科技合作項目、國家重點研發計劃項目、廣東省科學院發展專項和廣州市青年科技人才托舉項目等的支持。該系列成果還包括發表于China Foundry、Steel Research International、Journal of Iron and Steel Research International等。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144467

https://doi.org/10.1007/s41230-022-2004-3

https://doi.org/10.1002/srin.202200191