梯度结构高强度高韧性钢板的制备及其断裂机理研究

Steels have been keeping the development towards of high strength, high toughness and high ductility. Adjust the microstructure of steels to gradient structure can break the original coupling in material properties together, and significantly enhance the overall performance of the steel. This project intends to carry out research on preparation high strength and high toughness steel plate with gradient structure by controlled rolling coupling water-cooling process, and the cyclical phase transformation and mechanism of microstructure refinement were also studied. The research will also focus on the coupling mechanism in deformation and water-cooling process to dynamic recrystallization, reciprocating phase transition and nano precipitation. The relationship among the typical chemical composition, thermal deformation and cooling process parameters and the gradient structure layer, as well as the final mechanical properties will be established. We will prepare the high strength, high toughness/ductility and gradient structure controllable new steel plate at the laboratory condition, and analyze the crack initiation and propagation law of different thickness gradient layer and different grain size gradient layer. This study will provide theoretical basis and data support for industrial production of high strength and high toughness heavy steel plates for shipbuilding, bridges, buildings and marine equipment.

高强度、高韧/塑性是钢铁材料发展的重要方向，调整钢铁材料的微观结构，使其成为梯度变化，可打破原本耦合在一起的材料性能，为大幅提升材料的整体性能和使役性能提供有效途径。项目提出利用轧制-水冷同步耦合的方式制备具有高强度、高韧性的梯度结构厚钢板，研究轧制-水冷同步耦合过程中的动态往复相变和组织细化机理，分析往复变形-冷却与动态再结晶、往复相变、纳米析出之间的耦合作用，建立典型化学成分、热变形和冷却工艺参数与梯度结构层、最终力学性能之间的关系，在实验室条件下制备出具有高强度、高韧/塑性且梯度结构可控的新型钢板；研究不同厚度梯度层和不同晶粒尺寸梯度层的裂纹萌生和扩展规律，分析梯度结构钢板中超细晶/细晶层和粗晶层中的塑性变形特征，获得厚规格钢板梯度结构的断裂机理。项目的研究，可为工业化生产出造船、桥梁、建筑和海洋装备等大型结构制件制造所需求的高强度、高韧性厚钢板提供理论基础和数据支撑。

高强度、高韧/塑性是钢铁材料发展的重要方向，调整钢铁材料的微观结构，使其成为梯度变化，可打破原本耦合在一起的材料性能，为大幅提升材料的整体性能和使役性能提供有效途径。项目利用轧制-水冷同步耦合的方式分别制备出了具有不同厚度的梯度结构和强度级别的高强度、高韧性梯度结构厚钢板，分析了轧制-水冷同步耦合过程中的动态往复相变和组织细化机理，研究了往复变形-冷却与动态再结晶、往复相变、纳米析出之间的耦合作用，建立典型化学成分、热变形和冷却工艺参数与梯度结构层、最终力学性能之间的关系，研究了梯度结构钢板中的塑性变形特征，明确了钢板梯度结构的断裂机理。主要结论如下：（1）结合实验钢的相变行为，利用轧制-水冷的方式，分别制备出常规C-Mn梯度结构钢、含Cr、Mo梯度结构钢和不同C含量的Nb-Ti梯度结构钢板，均表现出优异的强度和韧性配合；（2）含Cr、Mo元素的梯度结构钢与无Cr、Mo元素的梯度结构钢相比，同样的工艺条件下梯度结构效应更加明显，其屈服强度提高而保持塑性的主要原因为背应力强化和背应力硬化，两种钢均表现出明显的包申格效应，但含Cr、Mo元素的梯度结构钢的迟滞环更宽，包申格效应更加明显。（3）三类钢均表现出优异的低温冲击韧性，含Cr、Mo元素的梯度结构钢的低温冲击韧性最好，主要原因是表层的超细晶层厚度最大且晶粒尺寸最小，且心部位置具有最大体积分数的{112}<110>织构和显著的<110>//RD取向；Cr-Mo梯度结构钢在低温时具有更强的分层，主要因为梯度结构钢的表层含有压扁拉长的晶粒结构且具有更大体积分数的<001>//ND取向，在低温冲击时会导致分层，从而使裂纹尖端的应力状态由平面应变向平面应力状态改变，促进韧性断裂的发生，提高低温韧性；超低碳Nb-Ti梯度结构钢低温韧性好的主要原因是发挥了表层晶粒细化及心部大量大角晶界存在的作用。