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科技新进展:2.2GPa级超高强度不锈钢

发布时间:2022/09/22

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一、研究背景与目标

超高强度、高韧性、抗腐蚀损伤一直以来是国内外超高强度不锈钢领域发展的关键技术,随着国家海洋战略的实施,对装备的轻量化、耐腐蚀、长寿命的服役性能提出更高的要求,同样对具有更高强度和耐海洋腐蚀性能的合金钢的需求日益增长。

钢铁研究总院在2000年前后开始第三代超高强度不锈钢的研发,于2010年发布了具有自主知识产权的钢种USS122G钢,综合性能优于国外的同等材料FerriumS53钢,与国外材料不同,我国的USS122G钢是采用了金属间化合物+碳化物复合强化手段来设计的合金,目前已经成功应用。与此同时,我国在超高强度不锈钢的技术发展已经实现了与国外并跑。

2012年前后,钢铁研究总院开始研制第四代超高强度不锈钢,目标强度达到2.2GPa,经过近10年的技术攻关,通过在合金设计、组织制备、热处理工艺等方面深入的研究,提出了多维复合强韧化理论,成功攻克了多维强韧化耦合协同、多维精细组织调控及控制等重大科学难题,在国际上率先掌握了第四代超高强度不锈钢核心技术,也使我国成为世界上首个成功开发出2.2GPa级超高强度不锈钢的国家。

二、解决问题的思路与技术方案

超高强度不锈钢已经历了三代技术发展,第一代技术是以超低碳+单一的金属间化合物为代表合金,第二代技术是以低碳+多种金属间化合物为代表的合金,第三代技术是以中低碳+金属化合物+碳化物为代表的合金。目前国际上正在开展第四代的研发工作。我国第四代超高强度不锈钢的技术处于国际领先水平。如图1所示,第四代超高强度不锈钢的研发目标为:在进一步提升材料强度级别的基础上,寻求塑性、韧性的同步提升,逐步打破材料强度与塑、韧性间“此消彼长”的困境。

图1. 2.2GPa级超高强度不锈钢创新思路和技术途径

对于超高强度不锈钢而言,其强化效果主要依赖于时效处理过程中从过饱和马氏体基体中析出的高密度、弥散分布的纳米级第二相强化颗粒作为“体缺陷”,与位错运动产生强烈交互作用。研究结果表明,由于不同种类纳米级析出相的硬度及其与基体的错配度差异,位错与不同种类析出相的交互作用机制不同,切过机制和绕过机制耦合共同强化可使钢达到更高的强度级别。因此,在亚结构为高密度位错且具有层级结构的板条马氏体基体中引入多类第二相颗粒复合析出强化,是获得更高强度级别的可行技术路径。另一方面,时效过程中在马氏体板条界面处由部分马氏体逆转变形成的奥氏体组织(即逆转变奥氏体,形貌一般为薄膜状或椭球状),具有较高的机械及化学稳定性,可在材料发生形变时引发TRIP效应,有效促进基体内部各相间的协同形变及应力-应变配分,从而提升其塑性。

在2.2GPa超高强度不锈钢开发过程中,使用基于固溶体中化学短程有序(Chemical short-range orders, CSROs)现象的团簇成分式(Cluster formula approach)方法,结合Thermo-calc热力学计算对新一代高强度不锈钢进行合金设计。CSROs一般形成于固溶原子周围。本质上,以固溶原子为中心的各最邻近团簇彼此之间形成了最强的键合,最终导致了CSROs的形成。此后,次级最邻近原子团簇可作为粘结原子(Glue atoms),以填补原子团簇间的空间,从而平衡原子堆垛密度。

在合金设计时,以Fe-Cr-Ni三元合金体系为基础,结合多模态计算的手段反复验证了合金元素对第二相的影响,根据意图引入的析出相成分(碳化物及金属间化合物)组元及其析出热力学、动力学,确定合金元素含量;充分考虑到析出相析出行为及高Cr基体的调幅分解行为的热力学及动力学特征,为了确保基体内部析出所需体积分数及数密度的第二相颗粒及一定量的稳态奥氏体组织,制定了具有梯度温差、保温时间差的双重时效工艺(如图2所示)。

图2.(a)单次时效热处理工艺图;(b)双重时效热处理工艺图

研究结果表明,2.2GPa超高强度不锈钢存在M2C、Laves相、α’Cr的复合析出,经双重时效处理可使钢的强-塑性同时提升,其原因是Laves相及α’Cr体积分数大幅提高,且奥氏体体积分数显著增加,加之Laves相的进一步析出及基体调幅分解的加剧,进一步增强时效硬化效应。塑性同步提升机制在于纳米级析出相不仅可有效阻碍位错运动,亦可延缓形变局部化及颈缩失稳进程,并通过促进位错在激活滑移面的均匀滑移从而均匀化形变;此外,逆转变奥氏体含量的提升可有效促进协同形变及应力-应变配分。

三、主要创新性进展

1、基础理论创新:基于多模态计算和试验、表征的手段,揭示了碳化物、金属间化合物、调幅分解组织及奥氏体之间强韧化机制,通过在板条马氏体基体中引入高密度、多种纳米级析出相及纳米级(薄膜、颗粒状)奥氏体使强度达到2.2GPa,形成了“选择性”多维强韧化的基本理论。

2、工程技术创新:采用真空感应+真空自耗的工艺手段,生产了2.2GPa超高强度不锈钢φ300mm棒材,突破了γ/α两相区低温循环变形技术、多维精细组织调控等关键技术;

3、性能突破:突破了双时效组织调控技术,获得的新型2.2GPa级超高强度不锈钢的室温力学性能:屈服强度1876MPa、抗拉强度2259MPa、断后伸长率11.5%、断面收缩率52%以及平面断裂韧性43MPa·m0.5。

信息来源:钢铁研究总院特钢所

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