时效初期微合金化钢纳米第二相析出及强化机制研究

The precise characterization of the complex microstructure of microalloyed steels and the understanding of its formation mechanisms are of great importance for the interpretation and optimization of the mechanical properties of these materials. In the case of microalloyed steels the precipitation of a second phase (MX precitation including C, NiAl precipitation and Cu precititation, etc.) is widely used to enhance the properties of metallic alloys (strength,toughness, creep resistance, etc.). The size control of nano second phase is a important method underlining the benefits of precipitation in microalloyed steels. Various approaches are being developed to predict the effect of thermomechanical treatments on the precipitation state. However, the precipitation mechanism of second phase at initial aging stage has not been clearly explained in existing references. The quantitative effect of second phase microstructure on mechanical properties of microalloyed steels also need to be deeply investigated. In this project, the present alloys are 1.10%Cu-0.85%Ni-0.02%Nb-0.013%Ti (HSLA-80) and 9%Cr-1%Mo-0.2%V-0.08%Nb (T91) with a carbon concentration below 0.1%. A combination of multiple dimensional couple techniques including three-dimensional atom probe(3DAP), molecular dynamics(MD) and crystal plasticity finite element method(CPFEM) has been used to assess the precipitation reactions at different treatment condition. The nano precipitation during initial aging stage is investigatied according to atomic dimension by 3DAP and MD. The quantitative influence of microstructure about precipitation of second phase on mechanical properties of microalloyed steels is analyzed by nano-mesoscopic coupling method to establish the second phase strengthening mechanism. According to this investigation, it can confirm the effect of technological conditions and alloying agent of initial aging stage on the precipitation process and mechanical properties of microalloyed steels; and the strengthening theory of microalloyed steels can be deeply developed. The new microalloyed steel can be also developed according to this research.

微合金化钢的整体力学性能依赖于材料固有内部微观结构特征及其作用机制，其中含碳MX及含Cu纳米析出相是影响微合金化钢力学性能的重要第二相。通过第二相的纳米乃至原子尺度的精确调控，能够实现传统材料强韧性的进一步提高。然而，微合金化钢中第二相早期、复合析出机制尚未完全清楚，第二相析出微观组织结构对材料性能的定量影响也未有明确界定，是材料科学界的前沿问题之一。本项目采用"三维原子探针实验技术" 、分子动力学及晶体塑性有限元三种方法，运用多尺度耦合研究手段，从原子层面研究时效初期MX及含Cu纳米析出相在微合金化钢中的复合析出过程，从纳观和介观尺度耦合研究第二相的微观组织结构对微合金化钢强化性能的定量影响，确定其强化机制。本项目的研究对揭示时效初期工艺条件、合金成分对第二相析出过程以及材料性能的影响，发展现有微合金化钢强化理论，开发新型微合金化钢，具有很好的理论和实际价值。

微合金化钢的整体力学性能依赖于材料固有内部微观结构特征及其作用机制，其中含碳MX及含Cu纳米析出相是影响微合金化钢力学性能的重要第二相。本项目采用三维原子探针实验技术、分子动力学及有限元三种方法，运用多尺度耦合研究手段，从原子层面研究时效初期MX及含Cu纳米析出相在微合金化钢中的复合析出过程，从纳观和介观尺度耦合研究第二相的微观组织结构对微合金化钢强化性能的定量影响，确定其强化机制。1）运用三维原子探针实验方法以及透射电镜对回火HSLA-80和T91钢中富Cu团簇及MX相早期析出阶段的成分、大小进行深入研究，确定了回火过程中富Cu团簇的形核、析出、长大以及粗化过程，晶界处位错线为析出相形核提供形核点，沿位错线析出的富Cu团簇择向长大；T91钢回火后形成了亚结构以及较为完整的位错网络，为MX相及其他析出相提供大量形核点。2）运用分子动力学研究了不同合金成分、空位浓度以及时效工艺对富Cu原子团簇析出行为的影响，同时采用分子动力学对富Cu团簇析出后合金在不同条件下拉伸变形过程进行了模拟，揭示时效温度对铜的扩散速率影响，以及时效温度越高镍对铜析出的抑制出现越早现象；空位浓度变化对最终形成最大团簇的原子数影响较小；拉伸结果显示变形过程基体结构出现bcc到fcc的转变，且在空位原子位置首先发生结构变化。3）采用有限元方法研究了不同析出相以及析出相尺寸、分布、体积分数以及晶界等微观组织结构对微合金化钢力学性能的影响，纳米Cu析出相分布于晶界附近时，不同尺寸的纳米Cu析出相周围，尤其是晶界，应变明显，变形逐渐向晶内扩散；晶界较晶内更易于变形，位错滑移量更大。最大应力随纳米Cu析出相尺寸增大呈非线性变化，当析出相尺寸为15nm时，材料达到最大应力。晶界应力分布呈波动状，晶界参与协调变形。Cu析出相弥散分布于晶内时，可提高基体整体的平均强度。弥散分布的析出相尺寸为12nm~18nm时，析出相对基体强化作用最为显著。纳米VC析出相弥散分布于基体内时，变形过程中纳米VC析出相的中心强度最大，塑性最小；晶界处塑性最大应力最小。纳米VC析出相对基体强化存在临界值，其临界尺寸为12nm左右。一定的晶界宽度范围内，晶界对提高基体的塑性有一定的作用，晶界宽度越大，其形变能力越好，基体塑性越好。