东北大学：高性能纳米/超细晶奥氏体不锈钢工业化制备新技术！

2022-01-27 13:22:47 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

一、研究的背景与问题

进入21世纪，钢材材料仍是占主导地位的先进结构材料。经济建设和社会发展要求大幅度提高钢的强韧性，发展适应不同要求的品种，改善钢材质量，降低生产成本，按照可持续发展的要求，开发与人类友好的基础材料，已成为从事钢铁材料研究和生产单位的历史任务。合金化是常用的一种提高材料性能的有效手段，为了满足人类社会发展对于材料性能不断提出的新要求，材料中添加的合金元素越来越多，元素周期表中几乎所有可能的元素都被用于材料的合金化。材料的高度合金化虽然能获得更佳的使役性能，但是也使得材料的成本急剧增加和回收难度变得愈发困难。那么在保证优良使役性能的前提下，如何减轻对资源的依赖，实现可持续发展，就需要开拓新的发展路径。

基于此，卢柯院士提出“材料素化”的概念，即在不改变材料成分的前提下，通过调控材料不同尺度的缺陷来制造出可持续发展的“素材料”，实现材料“素化”，不（或少）依赖合金化并大幅提高材料的综合性能，其中细晶强化就是一个典型例子。晶粒越细小，组织中晶界面积越大，对位错滑移运动的阻碍作用越大，这会增大材料变形时所需压迫的切应力，因此提高了材料的屈服强度；晶粒细化后，晶界密度的增加可以促进铬向表面的扩散，并能快速形富含铬的均匀钝化膜，从而提供更好的耐蚀性；此外，随着有效晶粒尺寸的减小，韧脆转变温度降低，材料的韧性提高，这主要取决于钢材大角度晶界密度增大，阻碍解离裂纹扩展。超细晶材料因其在材料中无须额外添加合金元素、高纯净、回收再利用简单而成为先进结构材料的重要研究方向。

“纳米晶体材料”自提出以来，一直是科学研究领域的热点。纳米晶金属材料通常具有良好的强塑性匹配和耐磨性、优异的耐腐蚀性能、低温超塑性及生物相容性、高热稳定性和抗辐照性能等特点，因此其应用前景十分广阔。目前，关于纳米晶金属材料的制备及研究正方兴未艾，特别是块体纳米晶材料，因其性能潜力巨大、制备过程复杂且难度极高而尤为科学家们所关注。

当金属的晶粒尺寸减小至纳米级时，强度和硬度将显著提高，然而塑性和韧性会明显下降。这种强度和塑性的“倒置关系”普遍存在于传统的合金化材料中，这制约了纳米金属材料的应用。最新研究表明，通过对金属材料显微组织进行跨尺度多级界面调控，既可以保证纳米结构带来的性能优势，又能克服纳米结构的一些性能缺点。

二、解决问题的思路与技术方案

奥氏体不锈钢由于具有无磁、耐腐蚀性、耐高温性、易成形、易焊接等特性，被广泛应用于各类民用及核电国防等领域。同时，随着节能减排需求的日益增长以及汽车安全规范的日趋严格，汽车行业迫切需要开发具有优异性能的材料。奥氏体不锈钢由于通过加工硬化可以将其强度和塑性在很大范围内进行调整，因此逐渐在汽车碰撞零部件的制作材料中占据一席之地。值得一提的是，美国SpaceX公司的马斯克指出，构成“星舰火箭”的舰体以及“超重型”火箭助推器的设计材料将由最为先进的C纤维材料改用300系不锈钢。然而，奥氏体不锈钢的屈服强度普遍较低，严重限制了其在工程结构领域的应用。因此，如何在不过度损害其他优良性能的前提下，提高奥氏体不锈钢的强度已然成为科研工作者不懈努力的方向。

针对奥氏体不锈钢屈服强度偏低这一不足，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室杜林秀教授团队以304不锈钢为研究对象，基于前期研究基础并结合企业当前工艺装备条件，利用变形诱导马氏体相变及逆相变退火的耦合作用并结合循环相变细晶原理，提出通过热轧-冷轧-退火一体化控制，利用多阶段冷轧-退火工艺实现实验钢的组织纳米/亚微米化，将屈服强度提高了约3~4倍。

图1纳米/亚微米晶钢制备工艺示意图

通过控制冷轧及退火工艺，形成了多尺度纳米/亚微米晶奥氏体组织，可获得屈服强度约900MPa，延伸率约为45%的优异的强塑性匹配；研究了等温退火对马氏体逆相变和残余奥氏体再结晶行为的影响规律，明确了加热过程中加热速率对马氏体逆相变机制的作用机制，探究并分析了纳米/亚微米晶304不锈钢的加工硬化行为及其低温超塑性。

图2（a）304不锈钢初始热轧组织；（b）制备的纳米/亚微米晶组织

图3不同异质结构的奥氏体组织及其工程应力-工程应变曲线

研究了纳米/亚微米晶（晶粒尺寸约200nm）304不锈钢的低温（<0.5Tm）超塑性行为，发现其在600℃表现出类超塑性行为，延伸率>150%；在630℃表现出典型的超塑性行为，最大延伸率超过300%，其超塑性变形机制为晶界滑动，协调变形机制包括晶界迁移和位错滑移。低温超塑性的发现进一步拓宽了其在高温领域的应用。

图4纳米/亚微米晶304不锈钢不同温度下的拉伸曲线

三、主要创新性成果

基于前期课题组关于纳米/亚微米晶钢的研究基础，以304不锈钢为研究对象，旨在制备出大尺寸高强塑性的纳米/亚微米晶奥氏体不锈钢，并围绕组织纳米化机理（包括变形过程中的马氏体相变和退火过程中的逆相变机制）、强塑性控制、塑性变形机制、加工硬化行为、低温超塑性行为、耐腐蚀性能等展开一系列研究，以期能为高强塑性纳米/亚微米晶钢的制备提供一定的理论依据，为后续实际工业生产提供一定的理论指导。主要创新性成果如下：

1、研究了加热速率对马氏体→奥氏体逆相变机制的影响，发现加热速率＜10°C/s，逆相变机制为扩散型，形成100~500nm的等轴奥氏体；加热速率＞40°C/s，逆相变机制为切变型，形成高位错密度的不均匀层状组织，使材料具有高强塑性。

2、细晶强化使均匀的纳米/亚微米晶钢具有极高的屈服强度（＞1GPa），良好的延伸率（＞30%）源于大的吕德斯应变；在纳米/亚微米晶基体中引入部分再结晶粗晶可有效消除吕德斯变形，形成的多尺度纳米/超细晶组织具有优异的强塑性匹配。

3、制备的纳米/亚微米晶304不锈钢在600°C具有类超塑性（最大延伸率Amax为153%），在630°C具有超塑性（Amax为300%）；超塑性变形机制为晶界滑动，同时通过晶界迁移和位错运动协调变形；低温超塑性的实现拓宽了高强纳米晶钢的应用。

4、研究了纳米/亚微米晶奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，发现随着晶粒的细化，材料的耐腐蚀性能明显提高，其原因为纳米/亚微米晶304不锈钢钝化膜增厚且稳定性提高。

四、应用情况与效果

本研究发表SCI论文8篇，授权国家发明专利3项，出版专著2部。基于本钢不锈钢冷轧丹东有限责任公司现有工艺装备条件，实现了兼具高强高塑性的纳米/亚微米晶304不锈钢的工业化制备，屈服强度≥900MPa，延伸率>40%。该纳米/亚微米晶冷轧不锈钢适用于轨道车体、汽车结构及海洋软管制造等领域。