本報沈陽11月25日訊（記者周峰）中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室李殿中研究員、李依依院士團隊近期發(fā)現(xiàn)了鋼中夾雜物浮力驅(qū)動通道凝固偏析形成新機制，糾正發(fā)展了上世紀60年代建立的自然對流驅(qū)動凝固偏析理論，相關(guān)研究成果11月25日發(fā)表在《自然—通訊》上。
據(jù)介紹，鋼是由不同含量的元素組成的合金。引起制備早期失效的一個主要原因是材料凝固過程中的成分不均勻分布，即偏析。但對它背后產(chǎn)生機制的解釋仍不清晰。偏析的基礎(chǔ)理論核心是自然對流驅(qū)動偏析，該理論認為鋼的偏析主要是由硫、磷、碳、硅、錳等元素導(dǎo)致的，控制偏析的主要手段是抑制流動。而在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，上述理論對大尺度鋼鐵材料偏析形成的解釋存在很大爭議，而且無法有效控制偏析。
通過對百噸級大鋼錠的實物解剖和多尺度計算模擬，該團隊發(fā)現(xiàn)，在廣泛應(yīng)用的鋼種中，夾雜物是引起通道偏析的主要機制。通道偏析起源于以氧化物為核心的夾雜物，一定數(shù)量和尺寸的夾雜物在糊狀區(qū)聚集形成的浮力效應(yīng)誘導(dǎo)了糊狀區(qū)失穩(wěn)，主導(dǎo)了通道偏析的形成。這一研究突破了多年來冶金界普遍認為的經(jīng)典自然對流理論。
研究結(jié)果表明，通過控制全氧和氧化物含量，可以顯著減少直至消除通道偏析，在大斷面鑄坯無法實現(xiàn)快速冷卻的條件下，通過控氧純凈化冶煉和合理澆注，仍可以更有效控制偏析。
他們發(fā)現(xiàn)氧和輕金屬形成的復(fù)合夾雜物引發(fā)的流動驅(qū)動了鑄造過程中的成分變化。在單重高達650噸的系列大鋼錠的實驗中，證實通過減少氧含量可以避免偏析。因此，控制氧含量來改善鋼的質(zhì)量是個非常有前景的方法。
本項研究成果揭示了氧在鋼中的神秘作用，發(fā)現(xiàn)了氧化物夾雜是偏析形成的核心，從而發(fā)展了經(jīng)典偏析形成理論，實現(xiàn)了偏析控制的重大技術(shù)突破。
