上海交通大學顧劍鋒團隊最新發明專利及相關研究論文：高強低溫艦船用鋼的韌化機理與應用

1. 引言

雖然靈活地利用熱加工過程中“力”與“熱”的耦合作用，可以調控出理想的顯微組織和出色的力學性能，但是考慮艦船用鋼的“尺寸效應”，大形變的溫/冷加工及快速加熱/冷卻工藝在工程上是難以或無法實現的。因此，只能“折中”利用析出強化、相變與細晶強韌化的作用，但完全保證艦船用鋼高強度與低溫韌性的良好配比仍有很大困難。

近日，上海交通大學材料改性與數值模擬研究所的劉慶冬、侯維、顧劍鋒等研究者，在高性能艦船用鋼開發方面，在不到1年的時間內，獲得了題為“一種低溫用高強高韌厚板結構鋼及其熱處理方法”的發明專利授權證書。作為原創性專利的支撐研究成果，相關論文發表在2020年出版的Materials Science and Engineering: A （2篇）和Metallurgical and Materials Transactions A上（1篇），論文第一作者均為課題組博士生侯維，通訊作者為劉慶冬助理研究員與顧劍鋒教授，詳見文獻鏈接。

2. 圖文導讀

研究者借鑒“材料素化”的原理，提出“基體素化”的理念。與“創造”晶體缺陷結構不同，“基體素化”意在最大限度地利用合金元素的有益作用，通過促進析出和相變反應盡可能地向平衡態轉移，形成穩定的顯微組織和納米結構，進而造成基體自身的“素化”，創造出具有更佳強韌性配比的納米層狀材料。

對于具體的艦船用鋼，在充分考慮工藝適應性和服役性能的前提下，采用低C（＜0.08wt.%）的含Ni低合金鋼，利用“柔性化”的多步驟熱處理工藝，把 “基體素化”理念與逆轉變奧氏體/二次馬氏體的溶質富集統一起來，形成多種強韌性配比的工藝調控窗口，最終得到：溶質元素充分“素化”的、具有納米團簇（c）析出強化的鐵素體基體（α）+溶質元素富集的、含有納米逆轉變奧氏體（γ′）韌化的二次馬氏體（LM′）的雙相（α+LM′）細晶（FG）組織。更重要的是，這種納米層狀組織接近熱力學上的平衡態，具有更佳的服役可靠性。

本課題不僅僅關注于利用多步驟熱處理或循環相變在二次馬氏體基礎上提高納米奧氏體的穩定性和體積分數，而且更著眼于二次馬氏體自身微納結構調控及增韌、增塑機制的研究，做到二次馬氏體的“韌塑兼備”；同時平衡納米第二相復合析出強化與致脆的矛盾，做到鐵素體基體的“強而不脆”。

目前，通過不同的控軋控冷和熱處理工藝組合，可制備1200MPa（170ksi）、900MPa（130ksi）和1380MPa（200ksi）級別的滿足?20至?120℃以及?196℃低溫使用的60mm以下厚板結構鋼。除了優越的低溫性能，此鋼還具有良好的高應變速率下的防爆性能，而這主要得益于適量的Ni元素添加和穩定的納米逆轉變奧氏體。

圖1 不同熱處理條件下艦船用鋼的SEM宏觀顯微組織

圖2 QL處理后艦船用鋼中二次馬氏體的TEM顯微組織及其成分分布

圖3 QL和QLT處理后艦船用鋼的TKD顯微組織與Ni/Cu元素分布-納米逆轉變奧氏體

圖4 二次馬氏體（SFM）和納米逆轉變奧氏體（RA）的成分分布

圖5 艦船用鋼中納米復合析出相的APT重構形貌

圖6 不同處理條件下艦船用鋼室溫（RT）和低溫（LNT）韌性的對比圖

圖7 QT和Q2ALT（循環相變）處理后艦船用鋼的TKD顯微組織

3. 小結

本研究借助多步驟熱處理調控強韌性的“基體素化”準則，揭示了復雜微納結構的強韌化機制及其相互制約與平衡的關系，充分利用合金元素的有益作用，發展和優化耦合納米團簇析出強化、奧氏體逆相變韌化及細晶強韌化作用的多步驟熱處理工藝，獲得熱力學上穩定的微觀組織和納米結構，在中試規模成功開發出新型高性能艦船用鋼。

文獻鏈接：

[1] W. Hou, Q.D. Liu^*, J.F. Gu^*, Nano-sized austenite and Cu precipitates formed by using intercritical tempering plus tempering and their effect on the mechanical property in a low carbon Cu bearing 7 Ni steel, Materials Science and Engineering: A 780 (2020) 139186. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139186?

[2] W. Hou, Q.D. Liu^*, H.M. Wen, J.F. Gu^*, Effect of Cyclic Intercritical Tempering on the Microstructure and Mechanical Properties of a Low-Carbon Cu-Bearing 7Ni Steel, Metallurgical and Materials Transactions A 51(8) (2020) 3981-3995. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05811-3?

[3] W. Hou, Q.D. Liu^*, J.F. Gu^*, Improved impact toughness by multi-step heat ?treatment in a 1400MPa low carbon precipitation-strengthened steel, Materials Science and Engineering: A 797 (2020) 140077. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140077

課題組及研究方向介紹：

上海交通大學材料改性與數值模擬研究所是材料學院下屬二級研究平臺，顧劍鋒教授為所長，主要從事高端材料熱處理創新工藝的開發、熱處理裝備的計算機輔助設計、熱處理過程的智能控制技術等方面的研究，并延伸至金屬材料熱力學行為、相變行為的多尺度組織分析與性能調控的基礎研究領域。其中，低溫鋼的強韌化與微納結構表征的研究方向主要由劉慶冬助理研究員負責，相關成果已發表SCI論文20余篇（第一作者或通訊作者），申請并授權發明專利多項。

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