高強度細晶粒鋼韌脆轉化各向異性的研究

《高強度細晶粒鋼韌脆轉化各向異性的研究》是依託北京科技大學，由毛衛民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高強度細晶粒鋼韌脆轉化各向異性的研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：毛衛民
• 項目類別：面上項目

項目摘要

新一代高強度細晶粒結構鋼具備高純淨、高均勻性、細晶粒等特點，使其在保持高強度的前提下獲得了良好的韌性，傳統組織結構不均勻引發的韌性各向異性現象明顯減弱。觀察發現，高強度細晶粒鋼的韌性具備明顯的新型各向異性特徵，表現為韌脆轉化溫度以上韌性各向異性及韌脆轉化溫度的各向異性。這類各向異性應源於鋼材內的織構及特定的取向差分布。本項目提出以平均晶粒尺寸為3至5微米的高強度細晶粒鋼為對象，採用X射線衍射和電子背散射技術分析材料的織構和取向差分布，在不同初始織構試樣的不同方向上進行力學性能檢測，並觀察斷口形貌及晶粒取向和取向差特徵。建立物理模型，模擬斷裂過程中位錯滑移的金屬學行為、裂紋萌生的晶體學過程，並分析沿晶界斷裂表面的晶體學特徵。項目研究可揭示出高強度細晶粒鋼韌性各向異性的基本機制，闡述多晶體織構和取向差分布與韌性各向異性的內在聯繫，探索調控、利用和消除韌性各向異性的途徑，完善相關的材料學理論。

結題摘要

以X80、X100和X120管線鋼為對象，系統研究了鋼板織構及多晶體取向差分布對力學性能各向異性行為的影響，並揭示了相關的材料學原理。 首先觀察了管線鋼屈服強度各向異性、衝擊韌性各向異性以及韌脆轉化溫度各向異性的基本規律，並分析了微觀組織結構和衝擊斷口形貌的特徵和規律，初始織構、初始取向差分布及取樣的方向對韌性各向異性的影響。在實驗研究中還從材料學的原理出發提出並使用了有效晶粒尺寸的測量方法。結果表明，不同強度級別的細晶粒鋼均存在屈服強度和韌脆轉化的各向異性，表現為鋼板面偏離軋向30度方向屈服強度最低，90度方向屈服強度最高；管線鋼明顯的韌脆轉化各向異性表現為鋼板面偏離軋向0度方向和90度方向的韌脆轉化溫度較低而與軋向成45度方向上韌脆轉變溫度最高。儘管不同強度等級的管線鋼的相組成有所差異，但其韌脆轉化各向異性的基本規律相似。 研究表明，晶粒取向是決定韌脆轉化各向異性的主要因素。根據位錯滑移的基本理論，分析了晶粒取向與體心立方滑移系以及滑移臨界分切應力的關係，建立了體心立方金屬常見熱軋織構組分與材料屈服強度各向異性關係的分析計算模型，進而探討了細晶粒鋼屈服強度各向異性的材料學原理。根據不同方向試樣在不同溫度衝擊試驗的結果，並以解理斷裂行為的晶體學原理為基礎，分別探討了屈服強度、斷裂強度與溫度之間的關係，以及晶體學織構的影響；進而從而建立了管線鋼韌脆轉變溫度各向異性的預測模型，且能模擬計算不同初始織構和不同方向試樣的斷裂模式；預測結果與實測結果吻合良好。研究揭示了織構造成管線鋼韌脆轉變溫度各向異性的原理。 同時藉助軋制試驗，分析了終軋溫度對熱軋板織構的影響，進而提出了工業生產控制細晶粒鋼力學性能的各向異性行為的工藝設計方法。 本項目研究了細晶粒鋼韌性及韌脆轉化溫度各向異性的一般規律及斷裂機理，揭示出織構主要影響力學性能各向異性的原理，建立了屈服強度和韌脆轉化各向異性的模型和計算方法，達到了項目的預期研究目標。