高强度细晶粒钢韧脆转化各向异性的研究

新一代高强度细晶粒结构钢具备高纯净、高均匀性、细晶粒等特点，使其在保持高强度的前提下获得了良好的韧性，传统组织结构不均匀引发的韧性各向异性现象明显减弱。观察发现，高强度细晶粒钢的韧性具备明显的新型各向异性特征，表现为韧脆转化温度以上韧性各向异性及韧脆转化温度的各向异性。这类各向异性应源于钢材内的织构及特定的取向差分布。本项目提出以平均晶粒尺寸为3至5微米的高强度细晶粒钢为对象，采用X射线衍射和电子背散射技术分析材料的织构和取向差分布，在不同初始织构试样的不同方向上进行力学性能检测，并观察断口形貌及晶粒取向和取向差特征。建立物理模型，模拟断裂过程中位错滑移的金属学行为、裂纹萌生的晶体学过程，并分析沿晶界断裂表面的晶体学特征。项目研究可揭示出高强度细晶粒钢韧性各向异性的基本机制，阐述多晶体织构和取向差分布与韧性各向异性的内在联系，探索调控、利用和消除韧性各向异性的途径，完善相关的材料学理论。

以X80、X100和X120管线钢为对象，系统研究了钢板织构及多晶体取向差分布对力学性能各向异性行为的影响，并揭示了相关的材料学原理。.首先观察了管线钢屈服强度各向异性、冲击韧性各向异性以及韧脆转化温度各向异性的基本规律，并分析了微观组织结构和冲击断口形貌的特征和规律，初始织构、初始取向差分布及取样的方向对韧性各向异性的影响。在实验研究中还从材料学的原理出发提出并使用了有效晶粒尺寸的测量方法。结果表明，不同强度级别的细晶粒钢均存在屈服强度和韧脆转化的各向异性，表现为钢板面偏离轧向30度方向屈服强度最低，90度方向屈服强度最高；管线钢明显的韧脆转化各向异性表现为钢板面偏离轧向0度方向和90度方向的韧脆转化温度较低而与轧向成45度方向上韧脆转变温度最高。尽管不同强度等级的管线钢的相组成有所差异，但其韧脆转化各向异性的基本规律相似。.研究表明，晶粒取向是决定韧脆转化各向异性的主要因素。根据位错滑移的基本理论，分析了晶粒取向与体心立方滑移系以及滑移临界分切应力的关系，建立了体心立方金属常见热轧织构组分与材料屈服强度各向异性关系的分析计算模型，进而探讨了细晶粒钢屈服强度各向异性的材料学原理。根据不同方向试样在不同温度冲击试验的结果，并以解理断裂行为的晶体学原理为基础，分别探讨了屈服强度、断裂强度与温度之间的关系，以及晶体学织构的影响；进而从而建立了管线钢韧脆转变温度各向异性的预测模型，且能模拟计算不同初始织构和不同方向试样的断裂模式；预测结果与实测结果吻合良好。研究揭示了织构造成管线钢韧脆转变温度各向异性的原理。 同时借助轧制试验，分析了终轧温度对热轧板织构的影响，进而提出了工业生产控制细晶粒钢力学性能的各向异性行为的工艺设计方法。.本项目研究了细晶粒钢韧性及韧脆转化温度各向异性的一般规律及断裂机理，揭示出织构主要影响力学性能各向异性的原理，建立了屈服强度和韧脆转化各向异性的模型和计算方法，达到了项目的预期研究目标。