【摘 要】
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随着我国节能减排、应对气候变化战略的实施,海洋工程、汽车等应用领域都提出了减重、降低排放的要求,低密度钢因其密度低、耐蚀性能好等优点引起了业界的重点关注。目前对于低密度钢的研究工作主要集中在不需求韧性的汽车用薄板领域,而对组织为全δ-铁素体的海洋工程用钢研究较为匮乏。本文主要针对海洋工程用全δ-铁素体低密度钢的组织调控及增韧机理进行了系统的研究和分析,提出了创新的δ-铁素体组织细化及韧化控制工艺。
【基金项目】
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国家自然科学基金“海洋工程用低密度δ铁素体钢韧化机理研究”；
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随着我国节能减排、应对气候变化战略的实施,海洋工程、汽车等应用领域都提出了减重、降低排放的要求,低密度钢因其密度低、耐蚀性能好等优点引起了业界的重点关注。目前对于低密度钢的研究工作主要集中在不需求韧性的汽车用薄板领域,而对组织为全δ-铁素体的海洋工程用钢研究较为匮乏。本文主要针对海洋工程用全δ-铁素体低密度钢的组织调控及增韧机理进行了系统的研究和分析,提出了创新的δ-铁素体组织细化及韧化控制工艺。通过成分设计和组织调控,提高了试验钢的强度和低温韧性,阐明了微合金化元素（Nb、Zr）在δ-铁素体再加热、热变形、回火热处理等过程中对组织演变与性能的作用,揭示了 Nb-Zr微合金化δ-铁素体低密度钢的热变形机制,为海洋工程用低密度钢的合金成分设计、热轧工艺优化、组织性能调控提供了理论支持。通过对比分析三种试验钢高温δ-铁素体的显微组织,阐明了 Zr对抑制δ-铁素体组织长大的作用机制。表明Fe2Zr具有较高的热力学稳定性,与δ-铁素体之间存在半共格关系,对δ-铁素体晶界有较强的钉扎作用,能够抑制δ-铁素体组织在再加热过程中的粗化行为,细化了δ-铁素体晶粒。对比分析了 Nb-Zr微合金化δ-铁素体低密度钢在不同热变形制度下的流变应力曲线以及相对应的显微组织特征,确定在较低的能量耗散率下（η＜0.2）其热变形机制主要为动态回复,热变形激活能为318.71 kJ/mol,建立了试验钢的热变形本构方程。以Prasad失稳准则和动态材料模型构建试验钢的热加工图,并以其为准则分析相对应热变形制度下δ-铁素体的显微组织,确定热变形温度950～1000℃应变速率3 s-1为试验钢合理的热加工制度。在此热加工制度下进行试验钢的非再结晶区热轧,得到具有晶界弓出特征、储存了大量应变能的条带状δ-铁素体组织。经过750℃保温2 h的回火热处理后,Nb-Zr微合金化δ-铁素体低密度钢具有良好的强度和低温韧性。其组织特征为在具有较高密度小角度晶界的条带状δ-铁素体组织间存在细小的再结晶δ-铁素体,不仅增加了裂纹扩展路径,也提高了抵抗裂纹扩展的能力,使得试验钢的强度、塑性和韧性得到了较好的兼容。试验钢的屈服强度为329 MPa,抗拉强度为424 MPa,0℃冲击韧性为29 J（半厚度横向样品）,延伸率达到35%。Nb-Zr微合金化δ-铁素体低密度钢的断裂过程为一种混合断裂模式,包含条带状δ-铁素体的韧性断裂和具有较大取向差界面间的准解理断裂。其冲击断裂面呈现分层状结构,沿着轧制方向存在多个薄层分层带,这些裂纹垂直于轧制方向,沿着裂纹扩展方向进行延伸。在裂纹扩展的过程中出现了明显的δ-铁素体组织界面分离现象,垂直于主断裂面的界面上发生了准解理断裂,有效地提高了冲击能量释放速率。
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