從“怕冷”到“耐寒”，層狀組織鋼鐵材料突破低溫韌性極限！

在深空探測、深海油氣開采、極地工程裝備以及低溫液氣儲運等領域，鋼鐵材料不僅要承受巨大的載荷，還必須在極低溫環境下保持優異韌性。然而，對于絕大多數體心立方（BCC）鋼鐵材料而言，溫度降低往往意味著韌性的急劇下降。當溫度降至某一臨界值后，材料會由韌性斷裂突然轉變為脆性斷裂，這種現象被稱為韌脆轉變（Ductile-to-Brittle Transition，DBT）。因此，如何降低鋼鐵材料的韌脆轉變溫度、提高低溫沖擊韌性，一直是鋼鐵材料領域的重要科學問題。

近年來，研究團隊圍繞“鋼鐵材料層狀組織構筑與低溫韌化機制”開展了系統研究，通過溫鍛、溫軋及熱軋快冷等熱機械加工技術，構筑出多種類型的層狀組織，實現了鋼鐵材料低溫韌性的顯著提升，甚至獲得了“溫度越低、韌性越高”的逆溫度現象，研究框架圖如圖1所示。

圖1 鋼鐵材料層狀組織構筑與低溫韌化機制研究框架圖

一、層狀組織結構：一種實現低溫韌化的理念

以API X65管線鋼為對象，通過溫鍛與溫軋相結合的工藝，將原本等軸鐵素體晶粒拉長為沿軋制方向排列的層狀晶粒結構。這種組織顯著提高了材料強度，更重要的是在沖擊過程中能夠誘導裂紋發生分層擴展（Delamination）。裂紋不再沿單一路徑快速貫穿，而是在層間不斷偏轉、分叉和鈍化，從而消耗大量的沖擊能量。實驗結果表明，層狀組織鋼在液氮溫度下仍保持超過330 J的沖擊功，相比原始材料提高近16倍，實現沖擊韌性的大幅度提升。

圖2 層狀X65鋼的力學性能

二、異質層狀結構：實現強度與韌性的協同提升

進一步通過軋制在42CrMo鋼中構筑由雙峰晶層狀（BG-L）組織和超細晶層狀（UFG-L）組織。研究發現，隨著組織逐漸細化，層狀結構內部形成大量高角度晶界和超細晶區域，不僅提高了材料強度，還顯著增強了裂紋擴展阻力。特別是在UFG-L鋼中，屈服強度超過1000 MPa，液氮溫度下沖擊功高達314 J，并且從室溫到液氮溫度范圍內幾乎不存在韌脆轉變現象。其關鍵機制在于利用晶界分層不斷形成新的裂紋擴展路徑，使得主裂紋尖端被鈍化，從而實現超高的低溫韌性，強韌性顯著超過調質處理試樣。

圖3 利用晶界分層實現增韌的目的（42CrMo）

三、超細長條狀層狀結構：竹節狀組織增強裂紋偏轉能力

提出“鍛造+軋制”的工藝路線，成功制備出大尺寸超細長條狀層狀結構鋼板（20CrMnMo，橫向尺寸超過200 mm）。這種組織具有典型的“竹節狀”超細長的特征：晶粒沿軋制方向高度拉長；橫向尺寸達到亞微米級。在低溫沖擊過程中，裂紋不斷受到晶界等阻擋，被迫發生偏轉和分層擴展。實驗結果顯示，R730鋼在液氮下沖擊功達到252 J，遠高于傳統低合金鋼水平。

圖4 超細長條狀層狀組織的力學性能（20CrMnMo）

四、鐵素體/馬氏體雙相層狀結構：讓鋼材越冷越韌

傳統觀點認為，隨著溫度降低，鋼材韌性必然下降。然而，團隊設計的鐵素體/馬氏體雙相層狀結構（Q690鋼）打破了這一認知。通過兩相區軋制與快速水冷工藝，在鋼中構筑連續分布的鐵素體層和馬氏體層，形成弱結合的界面。沖擊過程中，這些界面能夠連續誘發分層裂紋，降低裂紋尖端的應力三軸度，使得試樣發生顯著的塑性變形，從而吸收了大量的沖擊能量。令人驚訝的是，L-F/M-750鋼的沖擊功并未隨著溫度降低而下降，反而從室溫持續增加至液氮溫度，在液氮下達到約400 J，表現出“逆溫度依賴韌性”現象。

圖5 鐵素體/馬氏體層狀組織的力學性能（Q690）

五、馬氏體層狀結構：兼顧超高強度與高韌性

研究團隊還將研究拓展至超高強度馬氏體鋼領域（Q690鋼）。通過控制奧氏體晶粒尺寸與層狀形貌，獲得馬氏體層狀組織，并實現馬氏體變體的擇優選擇。最終獲得了屈服強度超過1300 MPa；延伸率超過20%；室溫沖擊功超過180 J，實現了超高強度與高韌性的協同優化。與前述的顯著層狀組織相比，馬氏體層狀組織的性能各向同性，厚度方向性能得到顯著提高。

圖6 馬氏體層狀組織（Q690鋼）

六、從實驗室走向工程應用：厚大斷面鋼的層狀組織設計

對于海洋工程、風電裝備、大型鍛件及能源裝備等領域而言，真正的挑戰并非制備小尺寸高性能試樣，而是在噸級大型構件中實現強度與韌性的協同提升。為此，團隊進一步將研究對象拓展至1.4噸級42CrMo大型鍛件，提出了一種新型的變形輔助回火（Deformation-Assisted Tempering，DAT）工藝。通過回火與溫鍛變形相結合，在大型鋼構件內部構筑出具有明顯方向性的纖維狀組織特征，形成由高密度亞晶界、彌散納米碳化物和強變形織構共同組成的新型層狀纖維組織。這種組織相比同等強度級別傳統的調質鋼，表現出更優的延伸率、斷裂韌性和沖擊韌性，特別是在低溫沖擊韌性的測試中，展現出極高的沖擊韌性，DAT工藝為厚大斷面鋼的強韌化設計提供了新的技術策略。

圖7 調質鋼與DAT鋼在不同溫度下沖擊性能對比（42CrMo）

總之，團隊以近十種鋼鐵材料為載體，建立了從實驗室小尺寸試樣到噸級大型構件的層狀組織設計理論與技術路線，系統研究了層狀組織的強化和低溫增韌機制，為高性能海洋工程鋼、極地工程用鋼及極端環境服役鋼鐵材料開發提供了重要理論支撐。相關研究成果發表于Materials Research Letters、Journal of Materials Science & Technology、Materials Science & Engineering A、Materials Characterization、Scientific Reports等期刊。研究工作由殷福星教授、劉寶璽副研究員和駱智超副研究員共同指導完成，楊博和樊寬遠博士為系列成果的第一作者，主要完成單位是廣東省科學院新材料研究所，河北工業大學和煙臺大學，研究受到國家重點研發計劃和廣東省重點研發計劃資金的支持。

發表文章列表如下：

1、 Delamination induced exceptional cryogenic toughness in ferrite martensite dual-phase layered steels, Materials Research Letters

2、 Eliminate the contradiction between temperature and toughness by grain-boundary delamination in heterogeneous ultrafine-grained lamellar steels, Materials Research Letters

3、 High-density low-angle grain boundaries enable exceptional combination of strength, ductility and toughness in 304 stainless steel, Journal of Materials Science & Technology

4、 Exceptional Combination of Toughness and Corrosion Resistance in a 1.3 GPa Duplex Stainless Steel via Low-Angle Grain Boundary Engineering, Materials Science & Engineering A

5、 Ultrafine elongated grain structure for enhanced cryogenic impact toughness of low-alloy steel, Materials Characterization

6、 Design and control the selection of martensitic variant to simultaneously improve strength and toughness of low-carbon martensitic steel, Materials Characterization

7、 Making large?size fail?safe steel by deformation?assisted tempering process, Scientific Reports

8、 Realizing the outstanding strength-toughness combination of API X65 steel by constructing lamellar grain structure, Journal of Materials Research and Technology

9、 Bioinspired fibrous microstructure breaks strength and toughness trade-off in plain carbon steel, Journal of Materials Research and Technology

10、Abnormal temperature dependence of Charpy impact toughness is observed in bimodal grain lamellar steel, Materials letters

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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