[01289161]贝氏体高强钢金属粉芯焊丝焊缝金属强韧化机理

一、课题来源与背景

目前钢铁企业以及科研院所通过合金成分优化、控轧控冷、相变诱导以及其他热处理等工艺能得到强度为1000MPa，-40℃冲击韧性能达到200J的高强钢。这类钢具有优越的强韧综合性能，已经应用在管线用钢以及深海船舶用钢板领域。

然而由于焊材制备的复杂性以及焊接热过程的局限性等因素使得焊缝金属在相同强度下低温韧性远低于母材钢。在我国焊缝金属组织仍然以针状铁素体和粒状贝氏体为主，以针状铁素体为主的焊缝强度不到700MPa，而焊缝中大量存在的粒状贝氏体是使得焊缝强度提高但韧性低下的基本原因。

焊缝的强韧性可以通过相组分来调节。因此，对于目前开发的高强高韧板条贝氏体钢，匹配的焊缝金属中的这些相比例成分如何控制，使其强度达到匹配的情况下，韧性也达到母材的70-80%，这个问题的研究是至关重要的。Ni对韧性的机理并没有得到深入的研究，尤其是它对贝氏体形成的作用有待于进一步研究。

本项目获得国家自然科学基金的支持。

二、研究目的与意义本项研究基于金属芯焊丝制备，焊接接头制备、宏观力学试验、微观观察、测量与分析、相变动力学分析、有限元计算等手段研究相应科学问题，得到细晶板条贝氏体形成的动力学规律和关键影响因素;得出以板条贝氏体为主、适量针状铁素体，适量板条马氏体及残留奥氏体焊缝金属的最佳相成分范围的控制原理;得出控制原始奥氏体晶粒、贝氏体团尺寸以及贝氏体板条块尺寸的关键因素，及成分、工艺以及性能之间的预测模型;得到强韧性与800MPa级别高强钢匹配的优化焊缝成分以及焊接工艺本项目的研究对贝氏体高强钢焊材的设计与制备提供一理论基础，也对贝氏体高强钢焊材的发展起推动作用。

三、主要论点与论据（1）开发出国内首款Ni含量4%的高强高韧金属粉芯焊丝CHT120CK4，焊缝金属组织为针状铁素体（AF）+板条贝氏体（LB）的混合组织，焊缝金属力学性能优异，韧脆转变温度低至-100℃。

（2）揭示了Ni对焊缝金属强度和韧性的作用和内在机理，提出了该贝氏体焊缝金属强韧化的机理。

（3）揭示了Ni对贝氏体形核、生长方式以及生长速率影响的本质原因及板条贝氏体形成机理及其动力学过程。

（4）揭示了Si，Cu，Ti合金元素对焊缝金属强韧化的影响机制。

（5）揭示了多层多道焊缝金属韧性不稳定和出现低值的原因，同时提出了改善措施。

四、创见与创新

（1）深入研究了Ni对低碳贝氏体焊缝组织和强韧性的影响机理，开发出国内首款Ni含量4%的高强高韧金属粉芯焊丝。

（2）采用激光共聚焦显微镜原位观察手段，首次发现贝氏体生长速率变化范围为2μm/s～2000μm/s，该速率远大于基于扩散机理的生长速率，为贝氏体相变的非扩散型相变理论再添可靠依据。

（3）通过EBSD技术表征原位观察得到的贝氏体板条晶体学特征，首次揭示了同一晶粒内相邻贝氏体板条不同生长方向及速率的机制。

五、发表论文和人才培养情况

（1）出版专著1本，发表论文39篇，其中SCI 28篇，EI收录31篇;授权国家专利2项。

（2）2人次进行3次特邀报告，6人次参加6次国际学术会议，5人次进行6次分会报告。20人次参加2次线上国际会议。12人次参加国内学术会议12次，做报告11次，其中2人次进行3次特邀报告。30人次等参加6次线上国内学术会议。

（3）培养1名年轻教师张晓波获得副教授职称，培养2名年轻老师任军强、闫英杰获得副研究员职称。培养博硕士研究生11名，1人已获得博士学位，7人已获得硕士学位，3人在读。同时申请人获得甘肃省“飞天学者”及四川省“天府学者”特聘教授，获兰州理工大学“2016-2018年度科研工作先进个人”称号，2020年获兰州理工大学“师德标兵”称号。

（4）和合作方大西洋焊接材料股份有限公司建立了正式的校企培养培训基地，挂牌名称为：“四川大西洋焊接材料股份公司-兰州理工大学焊接材料研发及工程联合实验室”。