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长三角G60激光联盟导读

据悉，韩国昌原国立大学、浦项制铁公司、韩国明知大学、韩国科学技术研究院、浦项科技大学以及德国马克斯-普朗克研究所科研人员报道了通过具有薄膜状残余奥氏体的精细联锁显微组织实现超高强度钢焊接。相关研究以“Ultrastrong and ductile steel welds achieved by fine interlocking microstructures with film-like retained austenite”为题发表在《Nature Communications》上。

焊接过程中晶粒粗化或脆性相的形成会导致力学性能下降，从而降低产品的使用寿命。在此，科研人员报告了利用铌（Nb）和铬（Cr）替代镍（Ni）在超高强度钢焊接质量方面取得的进展。作为镍的替代品，单独添加铬在形成精细的焊接显微组织方面存在局限性，而添加铌和铬的耦合效应则可形成更精细的联锁焊接显微组织，由于奥氏体向针状铁素体和贝氏体转变温度和碳活性的降低，残余奥氏体的比例更高。因此，铌和铬合金化设计可产生超高强度钢焊接，具有更高的拉伸性能、冲击韧性和疲劳强度，同时材料成本降低了45%，并且去除镍也降低了对环境的影响。

科研人员报告了1.0 GPa和1.2 GPa级超高强度钢的焊接显微组织设计，该设计具有优异的力学性能、降低了材料成本和对环境的影响。为了在焊接中实现高强度和高延展性的平衡，科研人员的目标是制造由针状铁素体和贝氏体与薄膜状残余奥氏体组成的精细联锁显微组织。为此，科研人员最终发现铌和铬的复合添加表现出更好的性能和理想的显微组织。因此，科研人员最终决定在超高强度钢（UHSS）焊接中同时添加铌和铬，而非镍。采用这种合金设计，材料成本可降低约45%。此外，UHSS焊接的抗拉强度和均匀伸长率分别提高了14MPa和0.6%（1.0 GPa 级UHSS焊接）和86MPa和0.1%（1.2 GPa 级UHSS焊接）。冲击和疲劳性能也有显著改善。冲击试验在-80°C 至0°C的温度范围内进行，结果表明，在所有试验温度下，冲击韧性至少提高了13%（对于1.0GPa 级UHSS焊接），疲劳极限提高了240%（对于1.0 GPa 级UHSS焊接）。

图1:具有代表性的超高强度钢焊接显微组织。

图2:超高韧性钢焊接的分层结构。

图3: Nb和C沿原奥氏体晶界(PAGB)发生偏析的原子探针断层扫描 (APT)分析结果。

图4:相变温度与薄膜状残余奥氏体形成的关系。

图5:超高韧性钢焊接的微拉伸/原位拉伸EBSD试验结果。

图6:超高强度钢焊接的夏比V型缺口冲击和疲劳试验结果。

总之，科研人员设计的超高强度钢焊接显微组织具有更好的拉伸性能、冲击韧性和抗疲劳性、更低的产品成本和更小的环境负担，可与传统焊接结构相媲美。通过稳定原奥氏体晶界(PAGB)并降低奥氏体到针状铁素体和贝氏体的转变温度，铌和铬合金使焊接中的联锁针状铁素体和贝氏体结构变得更精细。通过添加铌和铬，可促进贝氏体板条之间的薄膜状残留奥氏体的形成，从而抑制渗碳体的析出。因此，所开发的焊接成分和显微组织设计具有更好的力学性能、更低的材料成本和更小的环境影响，可能成为取代传统超高强度钢焊接成分和显微组织设计的潜在策略。

论文链接：

Moon, J., Bae, G., Jeong, BY. et al. Ultrastrong and ductile steel welds achieved by fine interlocking microstructures with film-like retained austenite. Nat Commun 15, 1301 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45470-1

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