나노 구조의 저온 초가소성 및 열 안정성

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 18656(2016) 이 기사 인용

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우리는 여기서 처음으로 나노구조 저탄소강(V, N, Mn, Al, Si 및 Ni와 미세합금됨)의 저온 초가소성에 대해 설명합니다. 저탄소 나노입자/초미립자(NG/UFG) 벌크강은 마르텐사이트의 냉간 압연과 어닐링을 조합하여 가공되었습니다. NG/UFG 페라이트와 50-80nm 시멘타이트의 복잡한 미세구조는 기존의 세립질(FG)에 비해 500°C에서 높은 열 안정성을 나타냈으며 낮은 온도 연신율은 100%(절대 융점의 0.5 미만)를 초과했습니다. ) 대응. 저온 초가소성은 복잡한 부품을 형성하는 데 적합합니다. 더욱이, 열간 가공 중 낮은 강도는 스프링 백을 감소시키고 다이 손실을 최소화하는 데 유리합니다.

초가소성은 파손되기 전에 큰 소성 변형을 유지하는 재료의 능력으로 특징지어지며, 이는 티타늄 합금4,5,6에 대해 잘 설명되어 있습니다. 금속의 다양한 강화 메커니즘 중에서 결정립 미세화는 강도와 인성을 동시에 향상시키는 적절하고 편리한 방법으로 간주됩니다7,8,9,10,11. 심한 냉간 변형(>65%)과 상 역전 어닐링의 조합을 통해 처리된 나노구조 스테인리스강은 높은 강도/무게 비율, 내마모성 및 유리한 세포 활동을 포함하여 우수한 강도-연성 조합을 나타냈습니다. 이 접근법에서는 실온에서 준안정 오스테나이트의 심각한 변형으로 인해 오스테나이트가 마르텐사이트로 변형 유도 변태됩니다. 어닐링 시, 이 심하게 변형된 변형 유도 마르텐사이트는 마르텐사이트 전단 또는 확산 복귀 메커니즘을 통해 다시 오스테나이트로 되돌아갑니다. 따라서 기존의 거친 입자 대신에 나노 구조의 스테인리스 강을 사용할 수 있는 강력한 잠재력이 존재합니다. 그러나 대부분의 나노 구조 합금 시스템에서는 변형 경화 능력이 부족하여 연성이 제한됩니다. 따라서, 가소성의 개선은 계속해서 관심의 대상이 되고 있다. 또한 입자 경계 공학을 통해 복잡한 모양의 부품과 곡선 부품을 형성하기 위한 고온 초가소성에 주목했습니다. 초미립자(UFG) 재료에서 결정립계 미끄러짐은 초가소성의 가장 중요한 메커니즘으로 간주됩니다. 미끄러짐과 관련된 결정립계의 수가 많고 확산 및/또는 미끄러짐에 의한 수용 거리가 작기 때문에 미세한 입자 크기가 선호됩니다. 우리는 고온에서 미세합금 저탄소 나노입자/초미립자(NG/UFG) 벌크강의 초가소성을 탐구하지만 융점(Tm)이 0.5보다 훨씬 낮습니다.

낮은 에너지 소비와 상당한 표면 산화 감소로 인해 변형 온도를 낮출 수 있다면 초소성 성형의 응용 분야가 훨씬 더 널리 퍼질 것이라는 데에는 의심의 여지가 없습니다. 나노결정질 니켈의 초가소성은 470°C에서 관찰되었으며 이는 0.36 Tm1에 해당합니다. 미세한 입자의 AZ91 마그네슘 합금은 150~250°C(0.46~0.57Tm)의 저온 범위에서 초소성 거동을 나타냈습니다. 고탄소 세립(FG) 강(중량%로 1~2% C 함유)은 0.5~0.65 Tm에서 초가소성과 ~10−4~10−3 s의 변형률을 나타내는 것으로 관찰되었습니다. 그러나 최종 제품에서 미세한 미세 구조를 유지하고 뛰어난 기계적 특성을 제공하려면 성형 강이 높은 열 안정성을 가져야 하는 것이 중요합니다. 특히 일반적으로 사용되는 저탄소강에서 0.5Tm 미만의 온도에서 강철의 초가소성에 대한 연구는 우리가 최대한 이해한 바가 없습니다.

900°C에서 재가열한 후 물 담금질을 거친 실험강의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진이 그림 1a에 나와 있습니다. 물로 담금질된 마르텐사이트 미세조직을 재가열하는 동안 미세한 오스테나이트가 이전 오스테나이트 결정립계와 마르텐사이트 층에서 핵생성되었습니다. 두 번째 담금질 단계 후 미세 구조는 폭이 ~300-500nm인 미세한 마르텐사이트 판으로 구성되었습니다. 이전 오스테나이트 입자 크기는 3~6μm였으며 900°C에서 유지하는 동안 20~30nm의 VN 석출물이 형성되었으며 이는 이전 오스테나이트 입자와 마르텐사이트 판 내에 분포되었습니다(그림 1b). V-미세합금강에 N을 첨가하면 V 탄질화물 석출에 대한 잠복기가 감소하고 V와 N의 용해도 곱이 높아 부피 분율이 증가했습니다. 오스테나이트에서 VN의 용해도 곱(식 1)22에 따르면, 실험강에서 VN의 완전 용해 온도는 1102°C입니다. VN의 고정 효과는 이전 오스테나이트 입자의 조대화 속도를 감소시켰습니다. 1.6mm까지 냉간 압연한 후 폭이 100-150nm 및 150-250nm인 불균일한 마르텐사이트 판이 얻어졌으며(그림 1c), 0.9mm 두께의 냉간 압연 판에서는 폭이 있는 마르텐사이트 판이 얻어졌습니다. 압연 방향에 평행한 100-150 nm의 결과가 얻어졌습니다(그림 1d). 따라서 미세하고 균질한 원래의 미세구조로 인해 0.9mm 두께의 냉간압연판에서 초가소성을 연구하였다.