新型复合材料—层状复合超高碳钢

HEATS

-钢铁材料作为最重要的结构材料，提高强度一直是市场应用对其提出的迫切要求。碳是钢铁材料最重要而又廉价的强化元素。但是，碳含量的增加会影响塑性。按照传统的观念，碳含量增加到1%以上就会使塑性降低到结构材料无法使用的程度，甚至在材料界形成了一种定识，认为含碳量在1%到2.1%的钢铁材料，即超高碳钢，具有本质脆性而无开发价值。所以，超高碳钢被长期排除在实用工程材料之外。
     然而，自20世纪70年代以来，以美国斯坦福大学的O.D.Sherby教授为代表的冶金学家们发现，超高碳钢材料的脆性，是由于其高碳含量在常规铸造工艺条件下的凝固过程中难以避免碳的偏析及粗大碳化物的形成，而且在常规热加工工艺中也难以避免奥氏体晶界析出粗大碳化物网络所造成的。如果能够避免碳的偏析并使组织充分细化及均匀化，超高碳钢完全可以获得高强度和一定塑性相配合的优良力学性能。事实上，早在几千年以前就出现的大马士革军刀,以其锋利的刀刃和漂亮的外观而载入史册，就是用超高碳钢（碳含量为1.5～2.0%）制成的，可惜生产工艺已经失传。Sherby等人发现，通过组织细化与均匀化，超高碳钢不仅能获得超过现有钢铁材料的超高强度与一定韧塑性相配合的优异力学性能，而且能够获得惊人的延伸率高达600%以上的超塑性。Sherby等人的发现使得超高碳钢成为一个新的材料研究热点，成为开发廉价的新型高强度钢的重要研究对象。
然而，超高碳钢虽然容易获得超高强度，但在保持良好的韧塑性方面比较难以做到，需要很复杂的工艺处理，由此会增加其生产成本，限制其市场应用。
      把具有超高强度的超高碳钢与韧性较好的其它材料结合起来，制备既有高强度又有足够良好的韧塑性的复合材料是一个重要的思路。现在，已有报道超高碳钢与其它黑色-金属固相焊接起来所获得的层状复合超高碳钢。这种复合材料通常采用叠轧焊的方法而获得，即将三层或三层以上的超高碳钢与低碳钢在A1温度以下叠轧焊合起来。焊合温度一般不宜过高，以防止层片界面处发生碳的迁移扩散，并且避免超高碳钢晶粒的长大。
     层状复合超高碳钢的最大优点是具有高的冲击韧性，大于其任何一种组成材料，且脆性转变温度很低，例如，12层的超高碳钢-低碳钢复合材料（每种材料各6层）的脆性转变温度为-140°C。这主要是由于层片界面处可有效阻止裂纹扩展，使得裂纹尖端钝化。
      层状复合超高碳钢的屈服强度符合混合定律，当组成的两种材料塑性相近时，其塑性也遵循混合定律。但是，当两者塑性相差较大时，层状复合超高碳钢的塑性将低于混合定律的结果，这可能与塑性较差的材料产生的早期裂纹有关。通过增加层状复合超高碳钢层的片数，减小层片的厚度，可进一步提高塑性。试验证明，层状复合超高碳钢也具有超塑性，超高碳钢体积百分数越大，层片间距越小，超塑性越好。