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金属所-香港理工:新型超高强韧耐蚀不锈钢

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如何获得高强度和耐蚀性能兼备的高性能不锈钢,是我国面临的35项“卡脖子”技术难题之一。传统的马氏体时效钢虽然具有较高的强度,但存在成本高、耐蚀性差等缺点,这一直制约着这类材料的发展。因此,如何在维持优异力学性能的前提下,降低材料成本、提高耐腐蚀性能是新一代马氏体时效钢的研究重点和难点。

针对这一问题,中科院金属所王威团队和香港理工大学焦增宝团队合作研究了含Cr型低Ni低Co马氏体时效不锈钢,探索了合金元素协同作用和纳米复合析出行为,利用纳米Ni3Ti、富Mo相、富Cr相的复合析出强化,开发出兼具超高强度、良好塑韧性和耐腐蚀性能的新型马氏体时效不锈钢。论文第一作者为中科院金属所博士生/香港理工大学访问学生牛梦超,通讯作者为中科院金属所王威研究员和香港理工大学焦增宝博士,合作者还包括金属所尹利长研究员、杨柯研究员和香港城市大学栾军华博士。论文以“Synergistic alloying effects on nanoscale precipitation and mechanical properties of ultrahigh-strength steels strengthened by Ni3Ti, Mo-enriched, and Cr-rich co-precipitates”发表在材料期刊Acta Materialia上。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421001683

利用三维原子探针、透射电镜和第一性原理计算研究了Fe-Cr-Ni-Co-Mo-Ti系新型马氏体时效不锈钢的合金元素协同作用和纳米析出行为,发现合金中存在Ni3Ti、富Mo和富Cr相等多种纳米析出相,各种析出相的形成不是独立的,而是存在复杂的交互作用。

研究表明:

1)在Ni3Ti析出初期,Mo原子偏聚在Ni3Ti析出相的核心,不仅增加了Ni3Ti析出的化学驱动力,同时还降低了Ni3Ti形核的应变能,显著加速了纳米Ni3Ti的析出,获得了高数目密度的Ni3Ti纳米析出相。

2)随着析出反应的进行,Mo原子从Ni3Ti析出相核心被排斥到Ni3Ti与基体的界面处,从而促进富Mo相在Ni3Ti与基体界面处的异质形核,获得了高数目密度的纳米富Mo相。

3)Ni3Ti相的析出也间接影响富Cr相的析出,这是因为Ni3Ti的析出消耗了大量的Ni,影响马氏体基体的相稳定性,从而影响富Cr相的调幅分解。

利用纳米Ni3Ti、富Mo相、富Cr相的复合析出强化,开发了新型超高强度不锈钢,室温下屈服强度为1732 MPa、拉伸强度1840MPa、塑性11%、韧性89 MPa·m1/2,在500℃时的屈服强度超过1100 MPa,因此在较宽的温度范围内表现出优异的力学性能。

图1. Mo元素促进Ni3Ti相的形核:(a-f) Ti-steel和Ti/Mo-steel在不同时效时间的Ni3Ti析出组织,(g)和(h) Ni3Ti在两种钢材中的数量密度和体积分数

图2. Ni3Ti相促进富Mo相的界面异质形核:(a)0.5 h, (b) 24 h, (c) 60 h时效的Ni、Ti、Mo原子分布图

图3. Ni3Ti的析出细化了富Mo相:(a-c) Ti/Mo-steel的微观组织,(d-f) Mo-steel的微观组织,(g-f) 富Mo相的STEM和原子排列模拟图

图4.富Cr相在三种钢材中的分布:(a-d)Mo-steel,(e-h) Ti-steel,(i-l)Ti/Mo-steel

图5. 新型超高强度不锈钢中多种析出相的复合析出机制

图6. 新型超高强度不锈钢的力学性能:(a)室温拉伸,(b)不同温度拉伸性能

通讯作者:

王威研究员,中国科学院金属研究所特种合金研究部研究员。主要从事高品质特种合金及其薄带产品技术研发、核电用马氏体耐热钢及高强高韧不锈钢等材料的设计、制备与性能研究。目前,在Acta Mater.、JMST、ScriptaMater.等材料类期刊发表论文50余篇,出版英文专著1本,已获相关授权专利20余项。

焦增宝博士,香港理工大学机械工程学系助理教授。主要从事超高强度钢、高熵合金、高温合金和纳米晶的合金设计、组织性能调控以及纳米结构的三维原子探针表征。发表在Science、Nature Commun.、Mater Today、Acta Mater. (14篇) 等期刊论文五十余篇,被Acta Mater.、Scripta Mater.、Intermetallics等多种期刊的评为“杰出审稿人”,课题组主页:www.zbjiao.hk。

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