材料学院科研人员在超细晶钢领域获得新进展

本网讯（文/张家陶）日前，材料学院张家陶等人在高强钢研究领域获得新进展，开发了一种制备原奥氏体超细晶钢的新方法。他们利用高能电脉冲对40Cr钢、42CrMo钢和M2高速钢进行处理发现，原奥氏体晶粒都实现了超细化，证明了该方法具有良好的适应性。相关研究成果获得了国家发明专利授权，并在《Materials Science & Engineering A》、《ISIJ International》等国际期刊上公开发表。论文链接：https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-774；https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139213。《Materials Science & Engineering A》是金属材料领域的老牌权威杂志，对论文原创性及深度有较高要求，属于中科院Top和JCR一区期刊。这些研究获得了湖北省自然科学基金和湖北汽车工业学院博士启动基金资助。

自从Hall-Petch揭开了材料晶粒尺寸与强度的关系之后，细化金属材料组织尺寸成为经久不衰的研究热点。根据Hall-Petch定律，钢中铁素体晶粒尺寸从5μm细化到1μm，钢的强度可以“翻倍”。于是日本于上世纪90年代末率先提出 “超级钢”计划，目标是开发具有超细晶粒组织的高性能钢材。随后韩国、中国和欧盟相继制定了自己的超细晶钢研发计划。从此，超细晶成为了高性能钢材的一项重要特征。 

经过三十多年的发展，全世界的研究人员构建了系统的超细晶钢制备方法与组织控制理论，然而这些晶粒超细化方法主要针对铁素体晶粒的超细化。对于众多高强钢而言，它们服役状态的显微组织通常为马氏体、回火马氏体或贝氏体。晶粒超细化是要求它们的原奥氏体晶粒尺寸小于5μm，因此铁素体晶粒超细化方法难以用来实现原奥氏体晶粒超细化。 

钢材形变热处理过程中奥氏体再结晶细化理论极限为5μm。通过循环热处理虽然能够获得超细原奥氏体晶粒，但是循环加热能耗高、氧化严重。形变马氏体快速奥氏体化虽然能够获得超细晶，但是对马氏体实施冷轧或温轧变形抗力大，容易开裂。高能电脉冲制备原奥氏体超细晶钢不依赖塑性变形，不受再结晶细化极限的制约，依靠高形核率相变实现超细化，这将启发人们重新重视奥氏体超细化相变的形核行为。 

高能电脉冲制备原奥氏体超细晶钢的突破将首先应用于超细晶高速钢钻、铣刀具的开发，这将解决现有高速钢刀具热处理难以获得晶粒细化的问题，同时还将解决能耗高、“三废”污染严重的问题。据张家陶博士介绍，超细晶高速钢的发明专利仅仅15个月就获得了授权，这是受惠于国家知识产权局加快对重要原创性技术专利的授权政策。超细晶高速钢刀具的开发将使我国高速钢刀具从“以钨资源优势促进产品性能”转变为“以工艺优势提升产品性能”，这将我国稀有贵金属资源的价值加倍体现。