低密度微层状δ铁素体高强度高韧性钢板层状结构调控与断裂机理研究

Steels have been keeping the development towards of high strength, high toughness and high ductility. Adjust the microstructure of steels to micro laminated 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 of high strength and high toughness low density steel with laminated microstructure of delta-ferrite by control the processes, and the fracture mechanism was also studied. The research will also focus on the coupling mechanism between feature lamina structure such as interphase, size and crystallographic orientation on strength and fracture mechanism. The relationship among the typical chemical composition, feature lamina structure and final mechanical properties will be established. We will prepare the high strength, high toughness/ductility and lamina structure controllable new steel plate in the lab, and analyze the crack initiation and propagation law of different thickness lamina layer and different grain size. This study will provide theoretical basis and data support for industrial production of high strength and high toughness steel which used for land traffic, aerospace and marine transport.

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，使其成为微层状分布，可打破原本耦合在一起的材料性能，为同时提升材料的强韧性和使役性能提供有效途径。.项目提出利用高Al低密度高强钢中高温稳定δ铁素体，通过轧制变形控制成微层状分布，实现低密度、超高强度与超高韧性新型微层状钢铁材料的有机结合。项目将设计并制备出含有δ铁素体微层状结构的双相或多相高强韧钢，并对其特征层状结构进行定量调控，研究其变形断裂机理及力学性能特征，分析层片界面、尺寸及晶体学取向等结构参量对强度和断裂韧性的影响及内在相互关系，明确层状超高强韧钢中特征层状结构与力学性能之间关系，并研究其在苛刻工况条件下的腐蚀磨损行为。项目的研究，为深入理解微层状结构钢铁材料的强韧性本质及其断裂机理，探索新型高强高韧轻质钢制备和工业化生产陆地交通、航空航天和海洋运输等高端装备所需的高强度、高韧性低密度钢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，使其成为微层状分布，可打破原本耦合在一起的材料性能，为同时提升材料的强韧性和使役性能提供有效途径。.项目以高Al低密度钢为研究对象，在实验室条件下分别研究了质量百分数为0、1.5、3、6不同Al含量的超高强度实验钢的组织和性能，最终优化设计并制备出具有优异力学性能Al含量为3%的层状结构双相微观结构高强度高韧性钢，研究了其变形断裂机理及力学性能特征，分析了实验钢在苛刻工况条件下的腐蚀磨损行为，探索了层片界面、厚度及晶体学取向等结构参量对强度和韧性的影响及其内在相互关系，明确了层片状金属的结构-力学性能关系规律，深入分析了层状结构金属材料的韧塑性本质及其断裂规律。主要研究结论为：（1）通过添加质量分数3%的Al元素提高铁素体稳定性并结合高温两相区轧制，能够获得低密度层状双相钢具备铁素体/马氏体双相层状结构，且兼具超高的抗拉强度及超高的冲击韧性：拉强度为1650 MPa，屈服强度为1326 MPa，延伸率12%左右，-40 ℃冲击吸收功达到400 J以上；（2）低密度层状双相钢中，软相δ铁素体与硬相马氏体间的性能差异导致相界面处铁素体晶粒内存在应变梯度，因此铁素体内界面处GND密度升高，引起背应力强化，提高低密度层状双相钢屈服强度及延伸率；（3）Al含量的增加可以提高钢基体的耐蚀性，同时锈层厚度随着腐蚀周期的增加而增加，Al元素在锈层内侧存在富集现象，对氯离子有固定作用；其次Al元素在锈层中以FeAl2O4和Al2O3形式存在有助于Fe3O4和Fe2O3向FeOOH转变，显著提高实验钢的耐蚀性；（4）Al元素的添加提高了低密度层状双相钢的腐蚀磨损性能，在低载荷工况条件下，含Al低密度钢在腐蚀磨损过程中由于腐蚀及腐蚀磨损交互作用比重的更大，能展现出更加优异的腐蚀磨损性能；而高载荷时，由于磨损所占的比重更大，所以腐蚀磨损性能优势略小。项目的研究，为工业化生产出现代陆地交通、航空航天、海洋运输等高端装备及基础零部件所使用的高强度、高韧性低密度钢提供理论基础和数据支撑。