Fe-Cu系合金纳米富Cu相析出演化规律的多尺度耦合模拟与实验研究

ABSTRACT：The research and application of Cu in the new generation of steel materials have attracted widespread attention since the Cu-bearing series of HSLA hull steel developed in the United States. In the steel, high strength can be obtained relying on the aging strengthening of Cu precipitation without significant damage to the plastic toughness. It have been reported that the morphology, size and distribution of Cu precipitates are closely related to the chemical composition of steel, as well as the orientation relationship between the precipitates and matrix. However, the mechanism and regularity of the Cu precipitates are not clear, which affects the economical and efficient use of Cu-bearing steel. In this project, a series of Fe-Cu-X (X=Ni, Mn, Al）alloys will be designed, and TEM and 3DAP characterization and the first principles calculation will be used to characterize the distribution of interfacial alloy elements and their effects on the interfacial energy during the aging process. The diffusion mechanism of Cu in the presence of other alloy elements will be investigated by means of diffusion couple experiment and molecular dynamics simulation. Consequently the influence mechanism of alloying elements on the Cu precipitation is to be explored. On the basis of the above study, taking account the interfacial energy, diffusion coefficient and dislocation the precipitation dynamics model effect will be developed, and reveal the dominant mechanism and its effect on the thermal stability of Cu-rich precipitation, which is of great theoretical and practical significance for the development and application of copper-containing HSLA steel.

以美国开发的含铜HSLA系列钢为标志，Cu在新一代钢铁材料中的研究与应用受到广泛关注。Cu加入钢中后，依靠Cu的时效析出作用，可在对基体塑韧性无明显损害的情况下获得高强度。前期研究表明，Cu析出相的形态、尺寸、分布及与基体的位向关系等与钢的化学成分密切相关，但目前其机制与规律尚不清楚，影响了含Cu钢的经济高效使用。本项目拟设计系列Fe-Cu-X (X=Ni、Mn、Al）合金，通过TEM与3DAP表征，结合第一性原理计算，研究时效过程中合金元素在bcc Cu/α-Fe界面的分布形态及对界面能的影响；借助扩散偶实验与分子动力学模拟探究合金元素作用下Cu的扩散行为，进而揭示合金元素对富Cu相析出行为的影响机理。基于以上研究，建立考虑界面能、扩散系数及位错作用的析出动力学模型，阐明与富Cu相形核长大关联的主导机制及其对析出相热稳定性的影响规律，这对含铜HSLA钢的开发与应用具有重要理论与实际意义。

以美国开发的含铜HSLA系列钢为标志，Cu在新一代钢铁材料中的研究与应用受到广泛关注。合金元素之间的交互作用，控轧控冷工艺引起的组织和位错分布形态，均会对Cu析出相的成分、结构、尺寸和分布等产生影响，通过对含Cu钢多层级尺度微观组织影响机理的系统实验和理论研究，阐明Fe-Cu系合金富 Cu 纳米析出相的形成、热稳定性和强韧化效果的调控机理，对于材料使用过程中的强韧化行为与服役安全性控制具有重要实际意义。.本项目在设计系列Fe-Cu及Fe-Cu-X(X=Ni、Mn、Al)合金的基础上，系统研究了合金元素对实验钢析出行为的影响规律，以及变形工艺对实验钢显微组织与析出相的控制机理。通过先进的TEM与APT等检测与表征技术，结合第一性原理计算，研究时效过程中合金元素在bcc Cu/α-Fe界面的分布形态及对界面能的影响；借助分子动力学模拟探究了合金元素作用下Cu的扩散行为，进而揭示合金元素对富Cu相析出行为的影响机理；借助XRD进行精修，推算出α-Fe基体Cu析出过程的基体晶格畸变与位错密度等变化规律。.重要研究成果如下：由于与Cu原子之间的吸引作用，Ni、Al会促进富Cu颗粒析出，且Al会促进Cu颗粒以B2结构稳定存在。对合金进行变形后，基体中大量的缠结位错会促进富Cu颗粒析出，在等温时效过程中，位错不断回复伴随着析出相沉淀析出。通过合理调控轧制和时效工艺，优化细晶、位错和纳米析出相组态，减少变形过程中局部不均匀变形，实现有效提升合金的强度和韧性。APT和第一性原理计算结果表明，由于合金原子在基体和析出相之间分配能的不同，导致在时效过程中合金原子在界面区域的不同偏聚行为，Si、Ti、Mn、Ni和Nb在界面偏聚后能够降低富Cu相的长大趋势，提高其热稳定性。.基于以上理论与实验研究，阐明了与富Cu相形核长大关联的主导机制及其对析出相热稳定性的影响规律，这对先进高强度钢的开发与应用具有重要理论与实际意义。