低碳低合金钢中残余奥氏体稳定性及其韧化机理研究

The aim of this study is to develop high performance low carbon low alloy steel with excellent low temperature toughness by producing stable retained austenite through intercritical heat treatment. Based on this target, the following objectives will be focused on. First, the influences of alloying elements (C, Mn) contents in retained austenite, morphology, distribution and size on thermal and mechanical stability of retained austenite will be elucidated. By combination of thermodynamic calculations using Thermo-Calc/DICTRA and phase field modelling simulations, the principle mechanism of retained austenite stabilization in low carbon low alloy steels will be revealed. Second, the mechanism of retained austenite on the ductile-brittle transition temperature (DBTT) will be systematically studied by elucidating the effects of retained austenite stability on the crack initiation and crack propagation during Charpy tests at different low temperature. Third, the effects of retained austenite on movement of dislocation, formation of micro-void and dimple during ductile fracture will be studied by in-situ tensile TEM, in-situ tensile SEM/EBSD to reveal the mechanism of retained austenite of toughening. The results from this project should improve the theoretical principle of toughening in low carbon low alloy steels and be helpful for the development of next generation low carbon low alloy steels with high strength, high plasticity and excellent low-temperature toughness controlling stable retained austenite.

稳定的残余奥氏体可以大大改善钢的低温韧性，然而在低C（<0.1C）低Mn（2-3Mn）低合金钢中获得稳定的残余奥氏体无疑存在挑战。前期研究利用两步临界热处理过程中C、Mn合金在奥氏体中多次逐步富集获得了10%以上体积含量的稳定残余奥氏体。本项目以低碳低合金钢为研究对象，采用临界热处理对残余奥氏体进行调控，探索低合金钢中合金元素配分以及残余奥氏体形貌、分布、尺寸对残奥热力学和机械稳定性的影响规律，结合热力学、动力学计算和相场模拟揭示低合金钢中残余奥氏体调控机理和稳定化机制。研究残余奥氏体稳定性对不同低温温度下冲击过程中裂纹起裂和裂纹扩展的影响，揭示残余奥氏体稳定性对降低韧脆转变温度（DBTT）的作用机理；采用原位拉伸TEM、SEM/EBSD等技术研究残余奥氏体对韧性断裂过程中位错运动、微孔形成、韧窝发展的影响规律，阐明残余奥氏体增韧机制。在现有的物理冶金基础上，发展利用残余奥氏体获得高强度、高塑性和优异的低温韧性高性能低合金钢的新技术。

稳定的残余奥氏体可以大大改善钢的低温韧性，然而在低C（<0.1C）低Mn（2-3Mn）低合金钢中获得稳定的残余奥氏体无疑存在挑战。本项目以低碳低合金钢为研究对象，采用临界热处理对残余奥氏体进行调控，探索了低合金钢中合金元素配分以及残余奥氏体形貌、分布、尺寸对残奥热力学和机械稳定性的影响规律，结合热力学、动力学计算揭示了低合金钢中残余奥氏体调控机理和稳定化机制。结果表明，临界热处理过程中C、Mn等奥氏体稳定元素在逆转奥氏体中富集和控制逆转奥氏体细小的尺寸是获得稳定残余奥氏体的主要原因。经两步临界热处理获得的14%体积分数的残余奥氏体经500和600°C回火后具有良好的热稳定性，残余奥氏体体积分数保持在11~12%，薄膜状的残余奥氏体平均长度和厚度分别保持在0.77μm和0.21μm，其中Mn和Ni含量分别维持在~6.2–6.6 wt % 和 ~1.6 wt %。然而，经过700°C回火后，残余奥氏体含量下降至8%，且其力学稳定性也大幅度下降，在应变量为2-10%的情况下几乎发生了TRIP效应。.研究了残余奥氏体在不同低温温度下的稳定性，并研究了其对断裂过程中裂纹起裂和裂纹扩展的影响。结果表明，残余奥氏体随着变形温度的降低而不断降低，其在变形过程中发挥TRIP效应的效率提高，使得其对均匀延伸率的贡献增大，而由于形成的马氏体新相增多，颈缩后发生脆性断裂的风险提高。采用原位拉伸TEM研究了残余奥氏体对韧性断裂过程中位错运动与残余奥氏体的交互作用，结果表明在变形初期残余奥氏体变形以层错运动为主，后期再发生马氏体相变。.发展了利用残余奥氏体获得高强度、高塑性和优异的低温韧性高性能低合金钢的新技术。利用两步临界热处理开发了90mm厚EH40钢级高止裂性能海洋工程用钢，兼具高强度、高韧性和可焊性等常规力学性能外，其-10℃止裂韧性Kca大于8000N/mm3/2.