哈工程连续两篇Int. J. Plast.: 高强、高韧、易焊接纳米相强化钢开发取得新进展

【引言】

钢铁是国民经济的中流砥柱，是国家生存和发展的物质保障。钢铁工业的生产水平，也是国防实力的表现之一。钢铁材料的成功应用和更新换代除了追求高强度之外，极佳的综合服役性能是应用的关键所在。在一些关乎国民经济建设和国防领域，例如舰船、海洋工程、桥梁、输油管道以及核能应用等领域，在要求保持高强度的同时，对钢材的焊接性能和低温韧性也提出了严格的要求。为了提高强度，马氏体强化和合金化在钢铁材料开发中得到了广泛的应用。最近，通过在超低碳的位错马氏体基体上析出大量的纳米级金属间化合物开发了纳米颗粒强化的超高强韧马氏体时效钢。然而，由于引入大量合金元素在提高强度的同时会严重影响焊接性能。同时，低温韧性对合金体系、纳米相强化机制及基体相的显微结构具有重要的依赖关系。因此，能否通过合金体系设计和相应的热机械处理工艺在保证高强度的同时获得优异的低温冲击性能和焊接性能是衡量钢材是否适于产业化工程应用的重要依据，也是高性能钢铁材料开发所需核心技术的体现。

【成果简介】

近日，哈尔滨工程大学张中武教授团队在高强、高韧、易焊接纳米相强化钢研究和开发方面取得了新进展。连续在International Journal of Plasticity 上全文发表两篇研究论文，系统阐述了纳米相的强化机制和显微结构控制低温韧性的机理。研究人员通过合金成分设计实现了利用富铜纳米相强化代替碳强化，在提高强度的同时保证焊接性能，通过调控纳米相和基体相的协同作用在保证高强度的同时获得优异的低温韧性，成功开发了高强、高韧、易焊接纳米相强化钢。综合利用小角中子散射及三维原子探针等技术跟踪了纳米相的演变过程，建立了不同时效阶段纳米相与位错的作用关系和强化效果，阐明了在不同热处理阶段纳米相的强化机制。通过设计和控制热机械处理工艺，在保证屈服强度不变的情况下，研究了不同显微结构对冲击韧脆转变的影响。通过对不同显微结构条件下冲击断裂过程中裂纹的萌生及扩展机制分析，阐明了显微结构对超低碳高强钢低温韧性和裂纹扩展的核心影响因素。张中武教授团队瞄准国家重大需求并结合哈尔滨工程大学“三海一核”行业特色，形成了特色鲜明的船海核金属材料研究方向。该研究团队善于在工程材料开发和应用中提炼科学问题并进行深入系统研究。相关研究成果已获授权发明专利4项（专利号：ZL201710057125.1, ZL201610903401.7, ZL201610487698.3, ZL201510623150.2），并已成功在鞍钢和南钢进行产业化试生产。两篇论文的第一作者分别为许松松和赵宇，均为该团队的博士研究生。

【图文导读】

纳米相强化机制研究

图1 超高强度低碳钢在500℃下显微硬度演变

图2 超高强度低碳钢在不同时效状态下的(a)工程应力-应变曲线及(b)对应的真应力-真应变和加工硬化率变化曲线。

要点：对比不同时效阶段超高强度低碳钢显微硬度及屈服强度可以得出，从固溶态到时效峰状态，伴随时效时间增加，纳米相强化作用逐渐增强；而从时效峰后的过时效状态，时效时间的增加使得强化效果逐渐减弱。

图3 时效峰状态下(AG5h)超高强度低碳钢中主要元素分布

图4 时效峰状态下(AG5h)超高强度低碳钢中(a)单个典型纳米沉淀相原子分布及(b)各个元素成分分布图。

图5 超高强度低碳钢中纳米相不同时效阶段(a)小角中子散射表征结果及(b)尺寸和数量密度演变规律图

要点：在超高强度低碳钢中，纳米级沉淀相富含Cu、Ni、Al和Mn元素，且时效峰状态下形成了以Cu元素为核，Ni(Al, Mn)相偏聚于界面的核壳结构沉淀相。纳米沉淀相在时效过程中表现出尺寸逐渐增加，数量密度逐渐减少的演变规律。

图6 超高强度低碳钢中不同时效阶段纳米相不同强化机制贡献强度柱状图统计图

要点：从固溶态到时效峰状态下，伴随着纳米相尺寸的增加，纳米相强化效果增强，在此阶段中，纳米相主要通过切过机制贡献强度。而在切过机制中，有序强化和模量强化占主要部分；在过时效过程中，纳米相强化机制由切过机制转变为Orowan绕过机制，强化效果减弱。

显微结构对裂纹扩展及低温韧性的影响

图1 不同显微结构钢的(a)拉伸及(b)冲击性能曲线

要点：基体相显微结构对拉伸性能影响不明显。在保证强度级别相同的前提下，基体相显微结构却对低温韧性具有重要影响。多边形铁素体不利于低温韧性（S1），超低碳板条马氏体有利于获得优异的低温韧性（S2，S3）。细化板条马氏体有效晶粒尺寸可以进一步提高低温韧性（S3）。

图2 显微结构对加载位移曲线的影响

要点：多边形铁素体和超低碳板条铁素体的裂纹形成能相当，主要差别在于裂纹扩展所需的能量不同。多边形铁素体没有稳定裂纹扩展阶段，裂纹形成后直接失稳扩展。而超低碳板条马氏体在裂纹形成后有稳定扩展阶段，消耗大量冲击功，使冲击韧性明显提高。

图3 不同显微结构中晶粒形态、晶界取向和应力集中分布及有效晶粒尺寸

（a）-（c）S1\S2\S3钢的大角度晶界和小角度晶界分布；

（d）-（f）S1\S2\S3钢的应力集中位置分布；

（g）-（i）S1\S2\S3钢的有效晶粒尺寸。

要点：多边形铁素体中应力集中点分布不均匀，而超低碳板条马氏体中应力集中点分布均匀，有利于裂纹分散形核，消耗形核功。超低碳板条马氏体中大角晶界数量密度高，有效晶粒尺寸更小。

图4 显微结构与裂纹扩展机制的关系

（a）板条马氏体；（b）多边形铁素体。

要点：板条马氏体的板条结构能有效钝化和阻碍裂纹扩展。

图5 有效晶粒尺寸对裂纹扩展路径的影响

（a）S2钢（有效晶粒尺寸较小）的裂纹扩展路径；

（b）S3钢（有效晶粒尺寸较大）的裂纹扩展路径。

要点：降低有效晶粒尺寸（EGS）能增大裂纹的偏转频率，显著提高裂纹扩展阻力。

文献链接：

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)

本课题受到国家自然科学基金委和黑龙江省杰出青年科学基金资助

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