&

東北大學(xué)：高性能納米/超細(xì)晶奧氏體不銹鋼工業(yè)化制備新技術(shù)！

2022-01-27 13:22:47 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

一、研究的背景與問題

進(jìn)入21世紀(jì)，鋼材材料仍是占主導(dǎo)地位的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展要求大幅度提高鋼的強韌性，發(fā)展適應(yīng)不同要求的品種，改善鋼材質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，按照可持續(xù)發(fā)展的要求，開發(fā)與人類友好的基礎(chǔ)材料，已成為從事鋼鐵材料研究和生產(chǎn)單位的歷史任務(wù)。合金化是常用的一種提高材料性能的有效手段，為了滿足人類社會發(fā)展對于材料性能不斷提出的新要求，材料中添加的合金元素越來越多，元素周期表中幾乎所有可能的元素都被用于材料的合金化。材料的高度合金化雖然能獲得更佳的使役性能，但是也使得材料的成本急劇增加和回收難度變得愈發(fā)困難。那么在保證優(yōu)良使役性能的前提下，如何減輕對資源的依賴，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就需要開拓新的發(fā)展路徑。

基于此，盧柯院士提出“材料素化”的概念，即在不改變材料成分的前提下，通過調(diào)控材料不同尺度的缺陷來制造出可持續(xù)發(fā)展的“素材料”，實現(xiàn)材料“素化”，不（或少）依賴合金化并大幅提高材料的綜合性能，其中細(xì)晶強化就是一個典型例子。晶粒越細(xì)小，組織中晶界面積越大，對位錯滑移運動的阻礙作用越大，這會增大材料變形時所需壓迫的切應(yīng)力，因此提高了材料的屈服強度；晶粒細(xì)化后，晶界密度的增加可以促進(jìn)鉻向表面的擴(kuò)散，并能快速形富含鉻的均勻鈍化膜，從而提供更好的耐蝕性；此外，隨著有效晶粒尺寸的減小，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，材料的韌性提高，這主要取決于鋼材大角度晶界密度增大，阻礙解離裂紋擴(kuò)展。超細(xì)晶材料因其在材料中無須額外添加合金元素、高純凈、回收再利用簡單而成為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的重要研究方向。

“納米晶體材料”自提出以來，一直是科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點。納米晶金屬材料通常具有良好的強塑性匹配和耐磨性、優(yōu)異的耐腐蝕性能、低溫超塑性及生物相容性、高熱穩(wěn)定性和抗輻照性能等特點，因此其應(yīng)用前景十分廣闊。目前，關(guān)于納米晶金屬材料的制備及研究正方興未艾，特別是塊體納米晶材料，因其性能潛力巨大、制備過程復(fù)雜且難度極高而尤為科學(xué)家們所關(guān)注。

當(dāng)金屬的晶粒尺寸減小至納米級時，強度和硬度將顯著提高，然而塑性和韌性會明顯下降。這種強度和塑性的“倒置關(guān)系”普遍存在于傳統(tǒng)的合金化材料中，這制約了納米金屬材料的應(yīng)用。最新研究表明，通過對金屬材料顯微組織進(jìn)行跨尺度多級界面調(diào)控，既可以保證納米結(jié)構(gòu)帶來的性能優(yōu)勢，又能克服納米結(jié)構(gòu)的一些性能缺點。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

奧氏體不銹鋼由于具有無磁、耐腐蝕性、耐高溫性、易成形、易焊接等特性，被廣泛應(yīng)用于各類民用及核電國防等領(lǐng)域。同時，隨著節(jié)能減排需求的日益增長以及汽車安全規(guī)范的日趨嚴(yán)格，汽車行業(yè)迫切需要開發(fā)具有優(yōu)異性能的材料。奧氏體不銹鋼由于通過加工硬化可以將其強度和塑性在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，因此逐漸在汽車碰撞零部件的制作材料中占據(jù)一席之地。值得一提的是，美國SpaceX公司的馬斯克指出，構(gòu)成“星艦火箭”的艦體以及“超重型”火箭助推器的設(shè)計材料將由最為先進(jìn)的C纖維材料改用300系不銹鋼。然而，奧氏體不銹鋼的屈服強度普遍較低，嚴(yán)重限制了其在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何在不過度損害其他優(yōu)良性能的前提下，提高奧氏體不銹鋼的強度已然成為科研工作者不懈努力的方向。

針對奧氏體不銹鋼屈服強度偏低這一不足，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室杜林秀教授團(tuán)隊以304不銹鋼為研究對象，基于前期研究基礎(chǔ)并結(jié)合企業(yè)當(dāng)前工藝裝備條件，利用變形誘導(dǎo)馬氏體相變及逆相變退火的耦合作用并結(jié)合循環(huán)相變細(xì)晶原理，提出通過熱軋-冷軋-退火一體化控制，利用多階段冷軋-退火工藝實現(xiàn)實驗鋼的組織納米/亞微米化，將屈服強度提高了約3~4倍。

圖1納米/亞微米晶鋼制備工藝示意圖

通過控制冷軋及退火工藝，形成了多尺度納米/亞微米晶奧氏體組織，可獲得屈服強度約900MPa，延伸率約為45%的優(yōu)異的強塑性匹配；研究了等溫退火對馬氏體逆相變和殘余奧氏體再結(jié)晶行為的影響規(guī)律，明確了加熱過程中加熱速率對馬氏體逆相變機制的作用機制，探究并分析了納米/亞微米晶304不銹鋼的加工硬化行為及其低溫超塑性。

圖2（a）304不銹鋼初始熱軋組織；（b）制備的納米/亞微米晶組織

圖3不同異質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧氏體組織及其工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線

研究了納米/亞微米晶（晶粒尺寸約200nm）304不銹鋼的低溫（<0.5Tm）超塑性行為，發(fā)現(xiàn)其在600℃表現(xiàn)出類超塑性行為，延伸率>150%；在630℃表現(xiàn)出典型的超塑性行為，最大延伸率超過300%，其超塑性變形機制為晶界滑動，協(xié)調(diào)變形機制包括晶界遷移和位錯滑移。低溫超塑性的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步拓寬了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖4納米/亞微米晶304不銹鋼不同溫度下的拉伸曲線

三、主要創(chuàng)新性成果

基于前期課題組關(guān)于納米/亞微米晶鋼的研究基礎(chǔ)，以304不銹鋼為研究對象，旨在制備出大尺寸高強塑性的納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼，并圍繞組織納米化機理（包括變形過程中的馬氏體相變和退火過程中的逆相變機制）、強塑性控制、塑性變形機制、加工硬化行為、低溫超塑性行為、耐腐蝕性能等展開一系列研究，以期能為高強塑性納米/亞微米晶鋼的制備提供一定的理論依據(jù)，為后續(xù)實際工業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。主要創(chuàng)新性成果如下：

1、研究了加熱速率對馬氏體→奧氏體逆相變機制的影響，發(fā)現(xiàn)加熱速率＜10°C/s，逆相變機制為擴(kuò)散型，形成100~500nm的等軸奧氏體；加熱速率＞40°C/s，逆相變機制為切變型，形成高位錯密度的不均勻?qū)訝罱M織，使材料具有高強塑性。

2、細(xì)晶強化使均勻的納米/亞微米晶鋼具有極高的屈服強度（＞1GPa），良好的延伸率（＞30%）源于大的呂德斯應(yīng)變；在納米/亞微米晶基體中引入部分再結(jié)晶粗晶可有效消除呂德斯變形，形成的多尺度納米/超細(xì)晶組織具有優(yōu)異的強塑性匹配。

3、制備的納米/亞微米晶304不銹鋼在600°C具有類超塑性（最大延伸率Amax為153%），在630°C具有超塑性（Amax為300%）；超塑性變形機制為晶界滑動，同時通過晶界遷移和位錯運動協(xié)調(diào)變形；低溫超塑性的實現(xiàn)拓寬了高強納米晶鋼的應(yīng)用。

4、研究了納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)隨著晶粒的細(xì)化，材料的耐腐蝕性能明顯提高，其原因為納米/亞微米晶304不銹鋼鈍化膜增厚且穩(wěn)定性提高。

四、應(yīng)用情況與效果

本研究發(fā)表SCI論文8篇，授權(quán)國家發(fā)明專利3項，出版專著2部。基于本鋼不銹鋼冷軋丹東有限責(zé)任公司現(xiàn)有工藝裝備條件，實現(xiàn)了兼具高強高塑性的納米/亞微米晶304不銹鋼的工業(yè)化制備，屈服強度≥900MPa，延伸率>40%。該納米/亞微米晶冷軋不銹鋼適用于軌道車體、汽車結(jié)構(gòu)及海洋軟管制造等領(lǐng)域。