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基于亚稳奥氏体温变形和相变调控的3.0GPa超级高强高韧钢的制备及其强韧化机理研究

批准号:
52071212
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
付立铭
依托单位:
学科分类:
金属结构材料与力学行为
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
付立铭

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
超级高强钢主要应用于军工国防装备、航空器械的防护、民用重大装备、重要设备及先进工具等相关领域,当今世界各国都在加大超高性能钢的研发力度,我国已把先进高性能钢铁研发列为国家重大发展方向。高强度化始终是钢铁发展的主题。本项目拟开展有关超级高强钢的制备技术和强韧化机理研究。超级高强度高韧性合金钢的制备工艺及其强韧化机制研究具有重要的学术价值和现实意义。本项目旨在基于“奥氏体稳定化成分设计-亚稳奥氏体温变形-相变调控”的一体化工艺技术,开发并制备2500MPa以上级低成本、大尺寸、超细组织结构的超级高强度低合金钢。通过对不同温变形处理工艺下的材料的微观组织演变、力学性能变化及拉伸变形行为的分析,揭示超级高强钢的强化、韧化机制和应变硬化机理;通过对变形亚稳奥氏体的相变热力学和动力学的研究,揭示微纳结构亚稳奥氏体分解的相变和析出的规律,并建立纳米晶至粗晶宽广尺度范围下的强度、硬度和有效晶粒尺寸之间的相关关系。最后基于该制备工艺的进一步优化,开发一种新型超级高强度高韧性低合金钢,拉伸性能满足:YS≥2500MPa,UTS≥3000MPa,EL≥5.0%。本项目的超级高强钢的制备工艺及方法、相关研究结果和结论对我国新一代高性能高品质钢材的开发与应用具有指导作用。开发面向未来的3.0GPa及以上抗拉强度的先进超级高强钢,可以为国家的新一代轻量化重型装备、重要工程建设、战略新兴产业及国防武器等领域中,以钢铁为主的关键部件提供相关依据与支撑,提升我国在钢铁行业和国际研究领域的地位和影响。
英文摘要
Research and development of low cost, ultra-high strength and high ductility lowalloy steels has important academic value and practical significance. This project aims to develop an integrated processing technique based on “Composition design of Austenite stabilization– Severely warm-rolling of metastable austenite– Phase-transformation manipulating” to produce super-high strength (2.5GPa and above) low-alloy steel with low-cost, large-size and ultrafine-structures. Through the test and analysis of the microstructure evolution and mechanical properties of materials under different warm-deformation processes, as well as the study of thermodynamics and kinetics of the deformed metastable austenite transformation , the evolution law of micro-/nano-structured metastable austenite decomposition is revealed , and the relationship between strength, hardness and effective grain size is stablished in a broad grain-size ranged from nano-grains with ten nanometers to coarsen-grains with tens of microns. Based on these analyses, the strengthening- toughening mechanism and strain-hardening behavior of the super-high strength low alloy steel are revealed. Upon these processing optimization, a new super-high strength high ductility low alloy steel with tensile properties that meet YS≥2500MPa, UTS≥3000MPa and EL≥5.0% is developed. The fabrication technique and method possibly formed of the super high strength steel, the related research results and conclusions obtained in this project will provide an important guidance for the development and application of the new generation of high-performance and high-quality steels in our country.
本研究围绕低合金超高强度钢(σb≥3000 MPa)的制备工艺与强韧化机制展开系统攻关,通过"奥氏体稳定化成分设计-亚稳奥氏体温变形-相变调控"一体化技术创新,成功实现了超高强韧钢的可控制备。基于Thermo-Calc和JMatPro热力学计算,优化开发了碳含量0.25-0.45wt.%的微合金化体系,通过添加Nb、V、Ti等元素显著提升材料淬透性与过冷奥氏体稳定性。创新性地提出"强变形温轧+短时处理"新工艺,在亚稳奥氏体区实施大塑性变形(温轧/温锻),通过高密度位错调控相变动力学,实现了有效晶粒尺度从纳米级(10-100nm)到微米级的梯度组织结构。系统阐明了温变形过程中残余奥氏体热机械稳定性演变规律,揭示了细晶强化、位错强化与纳米析出强化等多级协同作用机制。最终制备出兼具超高强度与良好塑性的低合金钢:抗拉强度达2960 MPa,断后延伸率6.2%。通过原位TEM、DIC等多尺度表征技术,构建了考虑应变速率效应的本构模型,揭示了纳米级碳化物(5-20nm)动态析出行为对变形协调的促进作用。研究成果突破了传统超高强钢强韧性倒置瓶颈,开发的温变形工艺使轧制能耗降低30%,为大型锻件制造提供了新途径。获授权发明专利1项,发表SCI论文9篇,相关技术同时拓展应用于高熵合金体系,推动我国超高强材料研发进入国际先进行列。
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