散文精选网钢材的弹性模量
汽车结构件的三个重要评价指标分别为刚度、抗凹性、碰撞安全性，其中汽车构件的抗凹性和碰撞安全性均随强度增加而提高，因此采用高强度钢可在保证构件功能的前提下减薄材料厚度，实现轻量化。目前大部分汽车用钢的研究都着眼于强度和塑性的提升，但忽视了汽车结构件对刚度的要求，而刚度是由材料的弹性模量所决定的，弹性模量的下降将同时导致构件刚度和碰撞安全性的恶化，因此发展同时具备高强度、低密度和高弹性模量是汽车用钢的未来方向。钢的弹性模量与微观组织结构无关，仅依赖其原子间的相互作用，低合金钢的弹性模量一般均在200~210GPa，无法通过合金设计和组织演变来提高弹性模量。目前大多数高模量合金多采用粉末冶金工艺制备，制备成本高且产量低，无法满足汽车用钢的大规模生产需求。相比之下，采用液态冶金工艺，与现有钢铁生产工艺充分兼容，可实现高效率、低成本的规模化生产。而且，液态冶金工艺中形成的陶瓷颗粒与基体的界面为半共格，具有更好的界面塑性，因此用该工艺制备的高模量钢具有更好的延性。近期，北京科技大学罗海文教授（通讯作者）等人在Acta Materialia上发表了一篇题为“Solidified microstructures
and elastic modulus of hypo-eutectic and hyper-eutectic TiB2-reinforced
high-modulus steel”的论文，就是通过这种利用凝固包晶反应生成金属基复合材料的“原位自生”法，研究了不同体积分数的TiB2粒子对密度、弹性模量的影响，解析了TiB2增强的高模量钢中各种粒子的形成机制与次序，发现虽然密度随着TiB2分数增加而近似线性下降；但弹性模量仅仅在亚共晶成分区域随粒子分数增加而增加；但当进一步增加至过共晶区间时，弹性模量并没有按预期继续增加，而几乎不再变化（图1）。组织观察发现当大量TiB2形成时，由于其密度显著低于钢液，导致尺寸越大的颗粒基于Stokes定律越易上浮，在熔池上部聚集成粗大聚合物 （图2），在这些颗粒聚集区易发生局部塑性变形，因此导致材料的整体弹性模量下降。这一发现对于通过液态冶金法生产高模量钢有如下意义。首先，快速凝固非常重要且是必要的前提条件，因为陶瓷颗粒上浮不可避免，必须尽可能缩短凝固时间抑制上浮聚集；另外，对于过共晶成分的高模量钢，不仅其生产难度大而且弹性模量并不见得随之提高，因此不是合适的研发和生产对象。图1. 所研究高模量钢弹性模量和密度的计算值和实测值以及与文献结果的对比图2. TiB2颗粒分别在亚共晶合金C2 (a-c)和过共晶合金C4 (d-f)中的‘X’(顶部)、‘Y’(中部)和‘Z’(底部)位置的SEM图片论文链接：https://authors.elsevier.com/a/1ZLMh4r9SUFFL8
