上海交通大学顾剑锋团队最新发明专利及相关研究论文：高强低温舰船用钢的韧化机理与应用

1. 引言

虽然灵活地利用热加工过程中“力”与“热”的耦合作用，可以调控出理想的显微组织和出色的力学性能，但是考虑舰船用钢的“尺寸效应”，大形变的温/冷加工及快速加热/冷却工艺在工程上是难以或无法实现的。因此，只能“折中”利用析出强化、相变与细晶强韧化的作用，但完全保证舰船用钢高强度与低温韧性的良好配比仍有很大困难。

近日，上海交通大学材料改性与数值模拟研究所的刘庆冬、侯维、顾剑锋等研究者，在高性能舰船用钢开发方面，在不到1年的时间内，获得了题为“一种低温用高强高韧厚板结构钢及其热处理方法”的发明专利授权证书。作为原创性专利的支撑研究成果，相关论文发表在2020年出版的Materials Science and Engineering: A （2篇）和Metallurgical and Materials Transactions A上（1篇），论文第一作者均为课题组博士生侯维，通讯作者为刘庆冬助理研究员与顾剑锋教授，详见文献链接。

2. 图文导读

研究者借鉴“材料素化”的原理，提出“基体素化”的理念。与“创造”晶体缺陷结构不同，“基体素化”意在最大限度地利用合金元素的有益作用，通过促进析出和相变反应尽可能地向平衡态转移，形成稳定的显微组织和纳米结构，进而造成基体自身的“素化”，创造出具有更佳强韧性配比的纳米层状材料。

对于具体的舰船用钢，在充分考虑工艺适应性和服役性能的前提下，采用低C（＜0.08wt.%）的含Ni低合金钢，利用“柔性化”的多步骤热处理工艺，把 “基体素化”理念与逆转变奥氏体/二次马氏体的溶质富集统一起来，形成多种强韧性配比的工艺调控窗口，最终得到：溶质元素充分“素化”的、具有纳米团簇（c）析出强化的铁素体基体（α）+溶质元素富集的、含有纳米逆转变奥氏体（γ′）韧化的二次马氏体（LM′）的双相（α+LM′）细晶（FG）组织。更重要的是，这种纳米层状组织接近热力学上的平衡态，具有更佳的服役可靠性。

本课题不仅仅关注于利用多步骤热处理或循环相变在二次马氏体基础上提高纳米奥氏体的稳定性和体积分数，而且更着眼于二次马氏体自身微纳结构调控及增韧、增塑机制的研究，做到二次马氏体的“韧塑兼备”；同时平衡纳米第二相复合析出强化与致脆的矛盾，做到铁素体基体的“强而不脆”。

目前，通过不同的控轧控冷和热处理工艺组合，可制备1200MPa（170ksi）、900MPa（130ksi）和1380MPa（200ksi）级别的满足‑20至‑120℃以及‑196℃低温使用的60mm以下厚板结构钢。除了优越的低温性能，此钢还具有良好的高应变速率下的防爆性能，而这主要得益于适量的Ni元素添加和稳定的纳米逆转变奥氏体。

图1 不同热处理条件下舰船用钢的SEM宏观显微组织

图2 QL处理后舰船用钢中二次马氏体的TEM显微组织及其成分分布

图3 QL和QLT处理后舰船用钢的TKD显微组织与Ni/Cu元素分布-纳米逆转变奥氏体

图4 二次马氏体（SFM）和纳米逆转变奥氏体（RA）的成分分布

图5 舰船用钢中纳米复合析出相的APT重构形貌

图6 不同处理条件下舰船用钢室温（RT）和低温（LNT）韧性的对比图

图7 QT和Q2ALT（循环相变）处理后舰船用钢的TKD显微组织

3. 小结

本研究借助多步骤热处理调控强韧性的“基体素化”准则，揭示了复杂微纳结构的强韧化机制及其相互制约与平衡的关系，充分利用合金元素的有益作用，发展和优化耦合纳米团簇析出强化、奥氏体逆相变韧化及细晶强韧化作用的多步骤热处理工艺，获得热力学上稳定的微观组织和纳米结构，在中试规模成功开发出新型高性能舰船用钢。

文献链接：

[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

课题组及研究方向介绍：

上海交通大学材料改性与数值模拟研究所是材料学院下属二级研究平台，顾剑锋教授为所长，主要从事高端材料热处理创新工艺的开发、热处理装备的计算机辅助设计、热处理过程的智能控制技术等方面的研究，并延伸至金属材料热力学行为、相变行为的多尺度组织分析与性能调控的基础研究领域。其中，低温钢的强韧化与微纳结构表征的研究方向主要由刘庆冬助理研究员负责，相关成果已发表SCI论文20余篇（第一作者或通讯作者），申请并授权发明专利多项。

本文由作者投稿。