哈工程連續兩篇Int. J. Plast.: 高強、高韌、易焊接納米相強化鋼開發取得新進展

【引言】

鋼鐵是國民經濟的中流砥柱，是國家生存和發展的物質保障。鋼鐵工業的生產水平，也是國防實力的表現之一。鋼鐵材料的成功應用和更新換代除了追求高強度之外，極佳的綜合服役性能是應用的關鍵所在。在一些關乎國民經濟建設和國防領域，例如艦船、海洋工程、橋梁、輸油管道以及核能應用等領域，在要求保持高強度的同時，對鋼材的焊接性能和低溫韌性也提出了嚴格的要求。為了提高強度，馬氏體強化和合金化在鋼鐵材料開發中得到了廣泛的應用。最近，通過在超低碳的位錯馬氏體基體上析出大量的納米級金屬間化合物開發了納米顆粒強化的超高強韌馬氏體時效鋼。然而，由于引入大量合金元素在提高強度的同時會嚴重影響焊接性能。同時，低溫韌性對合金體系、納米相強化機制及基體相的顯微結構具有重要的依賴關系。因此，能否通過合金體系設計和相應的熱機械處理工藝在保證高強度的同時獲得優異的低溫沖擊性能和焊接性能是衡量鋼材是否適于產業化工程應用的重要依據，也是高性能鋼鐵材料開發所需核心技術的體現。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工程大學張中武教授團隊在高強、高韌、易焊接納米相強化鋼研究和開發方面取得了新進展。連續在International?Journal?of Plasticity 上全文發表兩篇研究論文，系統闡述了納米相的強化機制和顯微結構控制低溫韌性的機理。研究人員通過合金成分設計實現了利用富銅納米相強化代替碳強化，在提高強度的同時保證焊接性能，通過調控納米相和基體相的協同作用在保證高強度的同時獲得優異的低溫韌性，成功開發了高強、高韌、易焊接納米相強化鋼。綜合利用小角中子散射及三維原子探針等技術跟蹤了納米相的演變過程，建立了不同時效階段納米相與位錯的作用關系和強化效果，闡明了在不同熱處理階段納米相的強化機制。通過設計和控制熱機械處理工藝，在保證屈服強度不變的情況下，研究了不同顯微結構對沖擊韌脆轉變的影響。通過對不同顯微結構條件下沖擊斷裂過程中裂紋的萌生及擴展機制分析，闡明了顯微結構對超低碳高強鋼低溫韌性和裂紋擴展的核心影響因素。張中武教授團隊瞄準國家重大需求并結合哈爾濱工程大學“三海一核”行業特色，形成了特色鮮明的船海核金屬材料研究方向。該研究團隊善于在工程材料開發和應用中提煉科學問題并進行深入系統研究。相關研究成果已獲授權發明專利4項（專利號：ZL201710057125.1, ZL201610903401.7, ZL201610487698.3, ZL201510623150.2），并已成功在鞍鋼和南鋼進行產業化試生產。兩篇論文的第一作者分別為許松松和趙宇，均為該團隊的博士研究生。

【圖文導讀】

納米相強化機制研究

圖1?超高強度低碳鋼在500℃下顯微硬度演變

圖2?超高強度低碳鋼在不同時效狀態下的(a)工程應力-應變曲線及(b)對應的真應力-真應變和加工硬化率變化曲線。

要點：對比不同時效階段超高強度低碳鋼顯微硬度及屈服強度可以得出，從固溶態到時效峰狀態，伴隨時效時間增加，納米相強化作用逐漸增強；而從時效峰后的過時效狀態，時效時間的增加使得強化效果逐漸減弱。

圖3?時效峰狀態下(AG5h)超高強度低碳鋼中主要元素分布

圖4?時效峰狀態下(AG5h)超高強度低碳鋼中(a)單個典型納米沉淀相原子分布及(b)各個元素成分分布圖。

圖5?超高強度低碳鋼中納米相不同時效階段(a)小角中子散射表征結果及(b)尺寸和數量密度演變規律圖

要點：在超高強度低碳鋼中，納米級沉淀相富含Cu、Ni、Al和Mn元素，且時效峰狀態下形成了以Cu元素為核，Ni(Al, Mn)相偏聚于界面的核殼結構沉淀相。納米沉淀相在時效過程中表現出尺寸逐漸增加，數量密度逐漸減少的演變規律。

圖6 超高強度低碳鋼中不同時效階段納米相不同強化機制貢獻強度柱狀圖統計圖

要點：從固溶態到時效峰狀態下，伴隨著納米相尺寸的增加，納米相強化效果增強，在此階段中，納米相主要通過切過機制貢獻強度。而在切過機制中，有序強化和模量強化占主要部分；在過時效過程中，納米相強化機制由切過機制轉變為Orowan繞過機制，強化效果減弱。

顯微結構對裂紋擴展及低溫韌性的影響

圖1?不同顯微結構鋼的(a)拉伸及(b)沖擊性能曲線

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要點：基體相顯微結構對拉伸性能影響不明顯。在保證強度級別相同的前提下，基體相顯微結構卻對低溫韌性具有重要影響。多邊形鐵素體不利于低溫韌性（S1），超低碳板條馬氏體有利于獲得優異的低溫韌性（S2，S3）。細化板條馬氏體有效晶粒尺寸可以進一步提高低溫韌性（S3）。

圖2?顯微結構對加載位移曲線的影響

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要點：多邊形鐵素體和超低碳板條鐵素體的裂紋形成能相當，主要差別在于裂紋擴展所需的能量不同。多邊形鐵素體沒有穩定裂紋擴展階段，裂紋形成后直接失穩擴展。而超低碳板條馬氏體在裂紋形成后有穩定擴展階段，消耗大量沖擊功，使沖擊韌性明顯提高。

圖3?不同顯微結構中晶粒形態、晶界取向和應力集中分布及有效晶粒尺寸

（a）-（c）S1\S2\S3鋼的大角度晶界和小角度晶界分布；

（d）-（f）S1\S2\S3鋼的應力集中位置分布；

（g）-（i）S1\S2\S3鋼的有效晶粒尺寸。

要點：多邊形鐵素體中應力集中點分布不均勻，而超低碳板條馬氏體中應力集中點分布均勻，有利于裂紋分散形核，消耗形核功。超低碳板條馬氏體中大角晶界數量密度高，有效晶粒尺寸更小。

圖4?顯微結構與裂紋擴展機制的關系

（a）板條馬氏體；（b）多邊形鐵素體。

要點：板條馬氏體的板條結構能有效鈍化和阻礙裂紋擴展。

圖5?有效晶粒尺寸對裂紋擴展路徑的影響

（a）S2鋼（有效晶粒尺寸較小）的裂紋擴展路徑；

（b）S3鋼（有效晶粒尺寸較大）的裂紋擴展路徑。

要點：降低有效晶粒尺寸（EGS）能增大裂紋的偏轉頻率，顯著提高裂紋擴展阻力。

文獻鏈接：

Nanoscale precipitation and its influence on strengthening mechanisms in an ultra-high strength low-carbon steel (Inter. J. Plas., Volume 113, February 2019, Pages 99-110, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.09.009)

Effects of microstructure on crack resistance and low-temperature toughness of ultra-low carbon high strength steel (Inter. J. Plas., In press, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.01.004)

本課題受到國家自然科學基金委和黑龍江省杰出青年科學基金資助

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