复合层片异构结构低温钢的强韧化机理研究

In view of energy saving and high safety requirements, high strength and high toughness steels have always been the hot research topic in materials science. It is known that high manganese austenitic structure has excellent low temperature performance and the heterogeneous lamella structure of interweaving soft and hard layers has the strength of ultrafine grain and the ductility of coarse grain. Therefore a combination of alloy design and heterogeneous lamella structure control may be a promising way to develop steels with high strength, ductility and toughness. In this study, a combination of alloying design and heterogeneous lamella structure control will be applied to improve the strength, ductility and toughness of a high manganese austenitic steel at room temperature and cryogenic temperature, making full use of back stress strengthening and source strengthening in the heterogeneous lamella structure. The evolution of the heterogeneous lamella structure and recrystallization of the microstructure will be characterized. The deformation and fracture mechanisms of the developed microstructures will be discussed, establishing a quantitative relation between the microstructure and the mechanical properties. This research will develop low cost, high strength and high toughness steels at cryogenic temperature and pave a new way for the future research.

鉴于降低能耗与提高安全性的要求，高强高韧一直是钢铁材料的研发热点。大量研究证明，奥氏体结构的高锰钢具备优异的低温性能，而“软-硬”复合层片异构结构能在保证材料高强度的同时获得粗晶材料的塑性。因此将合金化与复合层片异构结构设计相结合有望成为开发高性能用钢的重要手段。本研究拟通过合理的合金化设计与复合层片异构结构的显微组织调控，制备出高强塑积的奥氏体低温用钢。对纳米晶、“软-硬”复合层片异构结构、再结晶超细晶和再结晶粗晶进行精细表征，探讨不同微观组织在室温及低温变形时的变形机制和断裂机制，建立组织结构与强塑积间的定量关系，充分利用“软-硬”复合层片异构结构中的背应力强化和位错源强化等，实现低温条件下高强度、高塑性和韧性的统一。本项目研究对于深化认识具备“软-硬”复合层片异构结构奥氏体钢的低温性能有普遍意义，为制备新型低成本高性能耐低温能源用钢奠定基础，具有重要的学术价值和良好的应用前景。

鉴于降低能耗与提高安全性的要求，高强高韧一直是钢铁材料的研发热点。大量研究证明，奥氏体结构的高锰钢具备优异的低温性能，而“软-硬”复合层片异构结构能在保证材料高强度的同时获得粗晶材料的塑性。因此将合金化与复合层片异构结构设计相结合有望成为开发高性能用钢的重要手段。本研究通过合理的合金化设计与复合层片异构结构的显微组织调控，制备出了高强塑积的奥氏体低温用钢。对纳米晶、“软-硬”复合层片异构结构、再结晶超细晶和再结晶粗晶进行了精细表征，探讨不同微观组织在室温及低温变形时的变形机制和断裂机制，建立组织结构与强塑积间的定量关系，充分利用“软-硬”复合层片异构结构中的约束强化和位错源强化等，实现低温条件下高强度、高塑性和韧性的统一。.大多数金属塑性和韧性都随着温度的降低而降低，而本项研究工作利用传统冷轧和退火处理的办法获得细晶粒Fe-Mn-C钢打破了这个规律。随着温度的降低，细晶粒的Fe-Mn-C钢的强度、塑性和冲击韧性同时提高，在液氮温度时冲击功达到了458 J，超过了目前已知金属在液氮温度下的冲击韧性，并且这种传统冷轧方法制备的低成本低温钢非常适合工业化应用。高冲击韧性归功于奥氏体稳定化元素Mn、C的添加以及晶粒细化。室温和低温变形时位错滑移和形变孪晶为细晶粒Fe-Mn-C钢的主要变形机制，变形过程中alpha-马氏体和epsilon-马氏体被完全抑制，从而减少了局部应力和应变集中，阻碍了裂纹形核，增加了加工硬化能力。本项目研究对于制备新型低成本高性能耐低温能源用钢奠定基础，具有重要的学术价值和良好的应用前景。