亚稳态纳米富Cu相晶体结构演化机制及热稳定性研究

The crystal structure of nano-scale Cu precipitates can make an important influence on strength and toughness enhancement in high strength hull ship steels, thus it is very important to effectively control the structure and thermal stability. However, the crystal structure evolution mechanism and the thermal stability of metastable Cu precipitates have not been well understood. Therefore, this topic will focus on the crystal structure evolution and the micro-morphology evolution of metastable nano-scale Cu precipitates during the growth. The difference and correlation between the bcc→twinned 9R transformation and the bcc→untwinned 9R transformation will be comparatively studied to confirm the formation mechanism of 9R structure. The formation mechanism of intermediate transition structure will be clarified by analyzing the transformation behavior from 9R structure to intermediate transition structure, especially the detailed transformation process for the multiple structures in a Cu precipitate. The effects of thermal aging process on micro-morphology, size, distribution, and the critical transition size between different structures will be systematically investigated. The relationships between and among morphology, structure and thermal stability will be confirmed, and the effect mechanism of aging process on thermal stability will also be analyzed. This work will be expected to achieve the effective control of crystal structure and thermal stability for metastable Cu precipitates during thermal aging process, providing important significance on the strength and toughness enhancement in high strength hull ship steels.

高强度船体结构用钢中纳米富Cu相的结构对强韧化效果有关键影响，因而有效控制其结构及热稳定性至关重要，但目前对亚稳态富Cu相晶体结构的演化机制及热稳定性尚未明确。因此本课题围绕亚稳态纳米富Cu相长大过程中晶体结构的演变和微观形态的变化，对比研究bcc→孪晶9R转变与bcc→非孪晶9R转变的区别与联系，明确9R结构的形成机制；分析9R结构向中间过渡结构的演变行为，重点研究多种结构共存于一个富Cu相时各结构的详细转变过程，确定中间过渡结构的形成机制；系统研究热时效工艺对亚稳态富Cu相微观形貌、粒子尺寸、分布状态以及不同结构间临界转变尺寸的影响规律，阐明亚稳态富Cu相形态-结构-热稳定性三者之间的关系，揭示时效工艺对亚稳态富Cu相热稳定性的作用机制。本研究有望实现热时效过程亚稳态富Cu相晶体结构及热稳定性的有效控制，这对改善高强度船体结构用钢的强韧性能具有重要意义。

随着船舶不断更新换代，我国高强度船体结构用钢的研制需提前布局并加强体系化建设。研发和应用纳米富Cu相强化HSLA钢一方面可以填补国内应用空白，同时也可以提升我国高强度船体结构用钢在国际市场上的竞争力。为改善其综合力学性能，必须实现纳米富Cu相晶体结构及热稳定性的有效控制，这也一直是该钢种的研究难点。本项目以实现亚稳态纳米富Cu相晶体结构及热稳定性的精确控制为目标，系统研究了不同时效工艺下纳米富Cu相形态-结构-成分三者之间的关系。主要工作和研究成果如下：.时效峰值条件下基体中形成大量bcc结构纳米富Cu团簇，数量密度为8.93×1023m-3，平均等效半径为1.31nm，团簇中同时富集了Fe、Cu、Ni、Mn、Cr和Si原子。随时效温度升高或时效时间延长，纳米富Cu相析出密度逐渐降低，微观形貌由球形逐渐向椭球形甚至棒状转变。伴随着析出形态的变化，富Cu相经历bcc→孪晶/非孪晶9R→3R/孪晶fct/fcc→fcc等一系列晶体结构转变。9R结构尺寸在10nm以下，大部分9R结构内部具有孪晶，但同时也存在少量非孪晶9R结构。孪晶9R结构相邻孪晶片的夹角在121～128°，内部存在三层原子为周期的条纹特征，每周期的宽度为0.6nm；非孪晶9R结构晶面指数与多孪晶9R结构基本一致。9R结构富Cu相与铁素体基体的取向关系为：[110]9R//[111]α，(11-4)9R//(0-11)α。孪晶9R结构在尺寸约为14nm时退孪晶化，退孪晶化过程是逐步进行的，心部的转变优先于边部。9R结构退孪晶化后可以转变为3R/孪晶fct/孪晶fcc结构，尺寸约为20nm，同一时效工艺下可存在多种亚稳态结构。中间过渡结构经过退孪晶或晶格弛豫，转变成稳定fcc结构。贝氏体/马氏体基体含Cu钢比铁素体基体含Cu钢具有更优的力学性能。时效阶段，纳米富Cu相和碳化物析出在基体和逆转奥氏体中形成，随时效温度升高，纳米富Cu相发生明显长大粗化。.本项目从基础理论和工艺控制等方面对纳米富Cu相强化HSLA钢进行系统的研究，为新型高强度船体结构用钢的研发提供有效的理论指导。