11月25日，國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications《自然通訊》發(fā)表了金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室材料加工模擬研究部李殿中研究員、李依依院士團隊的最新研究成果―凝固偏析形成新機制，題為“鋼中夾雜物浮力驅(qū)動通道偏析”（Inclusion Flotation-driven Channel Segregation in Solidifying Steels，Nature Communications. 5:5572 doi: 10.1038/ncomms6572(2014)。通過百噸級大鋼錠的實物解剖和多尺度計算模擬，該團隊在多年的科學(xué)研究與生產(chǎn)實踐中發(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。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。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。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。
偏析是材料凝固過程中的經(jīng)典科學(xué)問題，它的出現(xiàn)已有上千年歷史，而其基礎(chǔ)理論的建立是在上世紀60年代，核心思想是自然對流驅(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。本項研究成果揭示了氧在鋼中的神秘作用，發(fā)現(xiàn)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，為核電等重大工程用大斷面鋼鐵材料的偏析控制，提高質(zhì)量找到了新的途徑。
自然出版集團將該項研究工作作為亮點在其新聞平臺上進行了發(fā)布和評述，題為：“鋼的制備：向完美鑄造邁進！”。
評述指出，“本周《自然通訊》報道了鋼在鑄造過程中質(zhì)量惡化的一個新機制。這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致鋼的制備發(fā)生改變，從而對全球每年5000萬噸鋼錠、特厚板和大鑄件的制造帶來直接效益。
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。產(chǎn)生偏析的某些原因已為大家所了解，如鑄造過程中的對流，而對它背后產(chǎn)生機制的解釋仍不清晰，一直存有爭議。
李殿中和他的同事們揭示了一個新機制，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650t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。”
圖1 百噸級鑄造鋼錠
圖2 熱處理中的百噸級鋼錠
圖3 夾雜物浮力驅(qū)動通道偏析演化示意圖
