原子尺度研究合金元素偏聚对钢铁淬透性和低温韧性的影响

The increasing demands for heavy plates for offshore structures and cryogenic steels require an improvement in the hardenability and low-temperature toughness of steels. It has been well established by numerous experiments that B can improve the hardenability and exhibit a synergistic effect with deliberate addition of Mo. As a potential alternative for Ni, Mn causes tempering embrittlement and the development for low-cost cryogenic steels remains stagnant. In this project, first-principles density functional theory (DFT) calculations and atomic probe tomography (APT) experiments will be applied to reveal the mechanism of effect of B on the hardenability and Mn on the grain boundary cohesive properties. Segregation energy, solute-vacancy binding energy and the interaction energy between different alloying elements will be calculated, and the ductile-brittle transition temperature as well as the local chemical composition in the vicinity of the grain boundaries will be measured，in order to reveal the effect of individual alloying elements and their combinations on the grain boundary properties and the macroscopic mechanical properties. The possible methods to improve the hardenability and toughness can then be proposed using the grain boundary engineering through alloy and heat treatment design, and eventually help to promote the development of heavy plates for offshore structures and cryogenic steels.

随着我国对海洋工程用厚板和低成本低温钢的需求，对钢铁材料的淬透性和低温韧性提出了更高的要求。大量实验证明，B元素可以提高钢的淬透性，而适当添加Mo可以进一步促进这一效应。同时，作为有潜力的Ni低成本替代物，Mn元素却容易导致回火脆性，阻碍了低成本低温钢的发展。本项目将从B对淬透性和Mn对晶界结合性的影响机理这两个科学问题入手，利用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算和原子探针层析技术（APT），理论与实验相结合，通过计算偏聚能、空位结合能、元素之间的相互作用能和测定韧脆转变温度(DBTT)、晶界附近的化学成分分布，研究这两种关键合金元素单独作用和与其他元素共同作用时对晶界和材料宏观性能的影响，并根据揭示的物理原理有针对性的提出改善方法，利用晶界工程，通过新的合金设计和热处理方法，提高性能，促进海洋工程用厚板和低成本低温钢的发展。

本研究围绕钢铁材料的淬透性和低温韧性展开了第一性原理计算和实验研究，重点研究了合金元素偏聚对晶界能量和强度的影响。主要研究内容和结果包括：1)通过第一性原理计算揭示了B提高淬透性和与Mo的协同作用机理。结果显示B具有极强的偏聚趋势，并显著降低晶界能，推迟铁素体形核，从而促进贝氏体/马氏体等硬相生成；Mo与B在晶界处有相互吸引作用，解释了APT实验中观察到的共偏聚现象，Mo通过抑制M23(B,C)6析出相形成使B原子更充分的发挥对淬透性的有利作用；2）通过第一性原理计算Mn、C、B、P等合金元素对晶界粘附功的影响，揭示了低温韧性受合金元素偏聚影响的机制。结果表明，少量Mn、P元素本身对晶界强度的影响不大，更可能是通过与其他元素交互作用或其他机制影响低温韧性。其中，P致晶界脆化可通过添加B、C元素改善，其原理是较高浓度的P会占据置换原子位置，造成晶界处的晶格畸变，该效应可通过尺寸较小的B、C间隙原子中和，从而使得晶界更稳定，缓解粘附功的降低；3)通过实验研究了Mn对材料低温韧性的影响。结果发现，Mn偏聚会导致相变产物产生有异于基体的晶界分布特征，从而导致韧性下降。本研究从原子尺度揭示了合金元素偏聚对材料性能影响的原理，为合金设计提供了新的思路。