隨著我國能源消耗量的激增，過度依賴煤炭造成了嚴(yán)重空氣污染，大規(guī)模使用清潔能源天然氣已成為必然發(fā)展趨勢（國務(wù)院能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃（2014-2020））。至2020年，我國天然氣表觀消費(fèi)量將達(dá)4100億m3，其中需進(jìn)口1400億m3，海上進(jìn)口液化天然氣（LNG）占進(jìn)口量的50%，將達(dá)700億m3，基于此，我國計(jì)劃建設(shè)超過200個(gè)特大型LNG儲罐、約60艘海上運(yùn)輸船，LNG儲運(yùn)設(shè)施的總投資近萬億人民幣，其中儲運(yùn)設(shè)施關(guān)鍵材料鎳系低溫鋼的用量將高達(dá)60萬噸。日、韓兩國已開發(fā)出節(jié)鎳型LNG用鋼，LNG儲罐建造質(zhì)量提高、造價(jià)降低。而我國節(jié)鎳型LNG鋼尚屬空白，威脅著LNG儲運(yùn)設(shè)施的自主建設(shè)及國際競爭力。我國液化天然氣（LNG）海上進(jìn)口量至2020年可達(dá)700億m3/年，為此LNG儲罐用鋼需求總量將達(dá)60萬噸，急需新型鋼材以降低成本、提高儲罐質(zhì)量。在新型超低溫材料的開發(fā)中，高錳奧氏體鋼由于其價(jià)格、低熱膨脹系數(shù)和低周疲勞性能的顯著優(yōu)勢而備受關(guān)注。高錳奧氏體鋼采用錳和碳穩(wěn)定奧氏體相，在室溫條件下獲得單相奧氏體組織，而奧氏體鋼一般不存在韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，因此高錳奧氏體鋼具備超低溫（-196℃）應(yīng)用的先天優(yōu)勢。另外，隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人類對能源的需求也日益增多。在清潔能源領(lǐng)域，可控核聚變的主要燃料為氫的同位素，可從海水中獲取，具有儲量豐富、效率高的特點(diǎn)，有望成為解決人類能源匱乏的有效途徑。然而，核聚變裝置—全超導(dǎo)托卡馬克（EAST，俗稱“人造太陽”）在工作時(shí)會產(chǎn)生巨大的電流，為降低電流的熱效應(yīng)對核聚變系統(tǒng)的不良影響，低溫超導(dǎo)技術(shù)成為發(fā)展可控核聚變的必然選擇。這需要將全超導(dǎo)托卡馬克裝置的中央超導(dǎo)磁體置于4.2K的環(huán)境下以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性，極端的服役環(huán)境和核聚變裝置的安全性對包裹超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)材料提出了近乎苛刻的要求，需要在4.2K下具備無磁、高強(qiáng)韌性等優(yōu)良性能。此外，為配合Nb3Sn超導(dǎo)磁體的制備過程，包裹超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)材料需在室溫進(jìn)行一定的預(yù)變形后在650℃左右進(jìn)行長時(shí)間（約200h）的時(shí)效處理以達(dá)到最優(yōu)的超導(dǎo)性能，這對結(jié)構(gòu)材料的抗時(shí)效脆性也有著嚴(yán)格的要求。長期以來，此類極低溫條件下多使用316LN型、304型不銹鋼等材料，日本原子能廳和神戶制鋼近期也開發(fā)了JK2LB不銹鋼，但是上述幾類不銹鋼需要添加大量的Cr、Ni、Mo等貴重金屬，一方面會導(dǎo)致嚴(yán)重的敏化脆性問題，影響極低溫使用性能；另一方面，大量貴重金屬的使用也造成了成本、資源的消耗。因此開發(fā)新型的極低溫（4.2K）用無磁材料成為發(fā)展的必然趨勢。但是高錳鋼由于其面心立方晶體結(jié)構(gòu)的特征，導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度相對較低（通常在200~400MPa之間），使其在工程應(yīng)用方面具有一定的局限性，亟待解決LNG儲罐用熱軋高錳鋼屈服強(qiáng)度低這一問題。目前，主要采用固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化等方式來提高屈服強(qiáng)度，但對于具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的高錳鋼，固溶原子的固溶強(qiáng)化效果遠(yuǎn)低于其在體心立方晶體結(jié)構(gòu)鐵合金中的固溶強(qiáng)化效果。細(xì)化晶粒可以有效地提高屈服強(qiáng)度，但是，只有將晶粒細(xì)化至5μm以下時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度接近400MPa，另外，高錳鋼通常在500~800℃進(jìn)行退火處理，以獲得再結(jié)晶細(xì)化組織，當(dāng)退火溫度高于800℃時(shí)，組織發(fā)生明顯的粗化。但我們的研究發(fā)現(xiàn)，一方面高錳鋼存在一個(gè)500~800℃的脆性區(qū)間，另一方面高錳鋼的超低溫韌性隨著晶粒尺寸的減小而惡化，可見，采用充分細(xì)化晶粒來改善熱軋高錳鋼的屈服強(qiáng)度難以滿足其對超低溫韌性的苛刻要求。因此，在不顯著損害熱軋高錳鋼超低溫韌性的條件下，引入適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化機(jī)制成為亟待攻克的難題。二、解決問題的思路或技術(shù)原理（包括彩色示意圖）針對高錳奧氏體鋼固有的屈服強(qiáng)度低、強(qiáng)化和低溫韌性化相互矛盾以及力學(xué)性能各向異性的問題，首先基于層錯(cuò)能開展合金化設(shè)計(jì)，建立強(qiáng)韌性與合金成分的關(guān)系，其次利用晶粒適度細(xì)化和微硬化進(jìn)一步改善高錳奧氏體鋼的強(qiáng)度，最后利用夾雜物和軋制工藝改善各向異性，相關(guān)技術(shù)思路如圖1所示。
圖1 基于強(qiáng)韌性控制的合金化設(shè)計(jì)及工藝控制思路
1、基于SFE和屈服強(qiáng)度的合金化設(shè)計(jì)原理
基于高錳鋼面心立方晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及焊接性能和超低溫服役性能的苛刻要求，提出了優(yōu)化的合金體系及“高溫軋制+超快冷”的短流程生產(chǎn)工藝，獲得再結(jié)晶組織，解決了高錳鋼所面臨的強(qiáng)度問題。系統(tǒng)研究了合金成分、TMCP工藝對高錳鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律，如圖2所示。提出了新的高錳LNG儲罐用鋼合金設(shè)計(jì)（Fe-Mn-C-Cr-Cu-Nb/V/Ti和Fe-Mn-C-Al-Nb/V/Ti），在“高溫軋制+超快冷”短流程工藝條件下，在實(shí)驗(yàn)室制備出YS＞430MPa、TS＞850MPa、KV2（-196℃）在135~160J的原型鋼，經(jīng)熱處理后，屈服強(qiáng)度可進(jìn)一步提高至500MPa，為積極推進(jìn)工業(yè)化試制及示范儲罐的建造奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。另外，采用層錯(cuò)能熱力學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算了不同成分實(shí)驗(yàn)鋼的層錯(cuò)能，建立了層錯(cuò)能與超低溫韌性間的關(guān)系，如圖3所示，可見將層錯(cuò)能控制在38~44mJ/m2的范圍內(nèi)，一般可獲得優(yōu)異的超低溫韌性，為高錳LNG儲罐用鋼的合金化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
圖2 合金成分和工藝對高錳鋼屈服強(qiáng)度和超低溫韌性的影響
圖3 SFE對高錳奧氏體鋼-196℃沖擊韌性的影響
2、超低溫沖擊韌性的“反尺寸效應(yīng)”
不同再結(jié)晶區(qū)軋制溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的EBSD分析結(jié)果如圖4所示，圖中黑色線為一般大角晶界（取向差＞15o）和Σ3退火孿晶界（取向差為60o）。不同終軋溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織均為再結(jié)晶等軸組織，晶粒內(nèi)部存在較大尺寸的孿晶，隨著終軋溫度由1083℃降低至966℃，晶粒得的顯著細(xì)化。割線法測定了不同終軋溫度條件下的晶粒尺寸，結(jié)果顯示966℃、1000℃和1083℃終軋溫度下的平均晶粒尺寸（包括孿晶）分別為8.5μm、11.6μm和17.3μm。說明終軋溫度在966℃以上時(shí)，可通過反復(fù)動態(tài)再結(jié)晶或亞動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化組織，終軋溫度顯著影響晶粒尺寸。
終軋溫度：（a）966℃；（b）1000℃；（c）1083℃不同終軋溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5示。不同終軋溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈連續(xù)屈服現(xiàn)象，同時(shí)均具有良好的塑性。隨終軋溫度的降低，實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度提高，組織的細(xì)化具有改善實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度的作用，但即使在晶粒尺寸約為8μm時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度僅有395MPa。圖6示出了屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸間的關(guān)系，可見固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)達(dá)到了260MPa。
圖5 不同終軋溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同終軋溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的-196℃夏比沖擊吸收功如圖7所示。隨著終軋溫度的降低，晶粒尺寸得到顯著細(xì)化，但-196℃夏比沖擊吸收功不但沒有提高，反而出現(xiàn)明顯的下降趨勢，即晶粒尺寸越大，實(shí)驗(yàn)鋼的超低溫韌性越好。同時(shí)，三種實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊斷裂均為塑性斷裂模式，隨著終軋溫度的升高，韌窩的尺寸和深度都顯著增加。
圖6 屈服強(qiáng)度和平均晶粒尺寸間的關(guān)系
圖7 不同終軋溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的CVN沖擊吸收功
3、高錳LNG儲罐用鋼的熱處理脆性
基于熱處理工藝實(shí)驗(yàn)研究，弄清了熱處理工藝對高錳鋼超低溫韌性的影響規(guī)律及機(jī)理，發(fā)現(xiàn)高錳鋼普遍存在一個(gè)時(shí)效脆性區(qū)間的共性問題，如圖8所示，并弄清了產(chǎn)生時(shí)效脆性的關(guān)鍵因素，提出了高錳LNG儲罐用鋼的高溫?zé)崽幚砉に嚒?/span>研究發(fā)現(xiàn)，不同合金體系的高錳LNG儲罐用鋼均存在一個(gè)脆性區(qū)間的共性問題，時(shí)效脆性溫度區(qū)間為500~900℃。在150~500℃熱處理溫度范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)鋼的超低溫沖擊吸收功基本保持不變，當(dāng)熱處理溫度高于500℃時(shí)，超低溫沖擊吸收功出現(xiàn)急劇下降現(xiàn)象。900℃之后，隨著熱處理溫度的升高，低溫韌性又得到了的改善，此階段，韌性對溫度的變化很敏感，在1000℃時(shí)沖擊功達(dá)到了180J，相對于熱軋態(tài)提高了50J。1000℃之后，低溫韌性逐漸趨于穩(wěn)定，但仍以較緩的趨勢繼續(xù)增長。
對300℃（300A）和800℃（800A）熱處理試樣進(jìn)行深入分析。HADDF（High-Angle Annular Dark-Field）-STEM（Scanning Transmission Electron Microscopy）和EDX（Energy Dispersive X-ray）分析結(jié)果如圖9所示。圖9（a）顯示，在一般晶界處存在一定的元素偏聚現(xiàn)象，晶界是一種結(jié)構(gòu)缺陷，其自由能高于晶粒內(nèi)部的自由能，因此為了降低系統(tǒng)總的自由能，晶界同其他缺陷，如位錯(cuò)、外部原子等，發(fā)生相互作用，這種相互作用將使外部原子向晶界偏聚。當(dāng)熱處理溫度升高至800℃時(shí)，除了晶界偏聚，晶界處還分布有一定量的析出相，這些析出相富集Cr、Mn和C，且SAEDP（Selected Area Electron Diffraction Pattern）顯示這些析出相為(Cr,Mn)23C6型碳化物。圖10示出了晶界處的元素偏聚情況，對于300A實(shí)驗(yàn)鋼，雖然晶界呈亮襯度，存在一定的元素偏聚，但EDX-STEM結(jié)果顯示，在晶界處未觀察到C、Cr和Mn的峰，但對于800A實(shí)驗(yàn)鋼，在晶界處觀察到了Cr或C峰，表明800A實(shí)驗(yàn)鋼的晶界偏聚程度大于300A實(shí)驗(yàn)鋼?？梢姡鸫嘈缘闹饕?yàn)榫Ы缙酆蛧?yán)重的晶界析出。
（a）300A實(shí)驗(yàn)鋼；（b）800A實(shí)驗(yàn)鋼；（c）（d）（e）（f）分別為圖b紅色方框區(qū)域的Cr、Mn、C和Fe分布圖
圖10 HAADF-STEM圖和與之對應(yīng)化學(xué)元素分布圖（b）（c）（e）（f）800A實(shí)驗(yàn)鋼
4、基于非均質(zhì)組織的高錳奧氏體鋼強(qiáng)化
在高錳鋼可以大大提高鋼材的強(qiáng)度的同時(shí)也能保證其具有較高的超低溫沖擊韌性，通過這種硬化組織和再結(jié)晶組織的協(xié)同作用，良好的強(qiáng)度、韌性匹配可以在高錳奧氏體鋼中實(shí)現(xiàn)，從而為低溫用高錳奧氏體鋼的開發(fā)提供一定的借鑒。圖11顯示，隨著再結(jié)晶退火程度的提高，組織中的硬化組織逐漸減少，小角度晶界的比例也隨之減少。同時(shí)，晶粒由壓扁狀的高能態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀的低能態(tài)奧氏體，奧氏體晶界也由崎嶇蜿蜒的形貌轉(zhuǎn)變?yōu)槠交瑘A潤的形態(tài)，這也代表晶粒內(nèi)部的畸變能降低。從局部取向差分布圖（KAM）來看，奧氏體晶粒內(nèi)部的取向差也逐漸減少。軋態(tài)組織中約還有91%的硬相組織，而900℃退火10min（900A）后硬相組織降低至24%，而950℃退火（950A）后奧氏體晶粒發(fā)生了完全再結(jié)晶，硬相組織基本消失。同時(shí)從晶粒尺寸上看，900℃退火10min后晶粒尺寸較軋態(tài)的變化不大，由3.4μm轉(zhuǎn)變?yōu)?.2μm，而950℃退火10min后，伴隨著再結(jié)晶程度的提高，晶粒尺寸也略有長大，轉(zhuǎn)變?yōu)?.6μm。
圖11 實(shí)驗(yàn)鋼IPF及KAM圖IPF：（a）HR；（b）900℃×10min；（c）950℃×10min；KAM：a）HR；（b）900℃×10min；（c）950℃×10min；從圖12可以看出，退火后實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度有一定程度的下降，但是塑性卻有較大的提高。900℃退火10min后得到最佳的強(qiáng)韌性匹配，它的超低溫韌性較完全再結(jié)晶態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼（950℃退火10min）僅下降17J，屈服強(qiáng)度卻提高近100MPa，抗拉強(qiáng)度提高近60MPa。進(jìn)一步分析其原因，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變硬化曲線的stage Ⅱ階段，即塑性變形的初始階段，900A實(shí)驗(yàn)鋼保持相對較高的應(yīng)變硬化能力，這主要與900A實(shí)驗(yàn)鋼中由部分回復(fù)的硬化奧氏體組織和再結(jié)晶的軟化奧氏體組織組成的這種非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)造成的。變形過程中在硬相和軟相之間會形成較多的幾何必須位錯(cuò)，造成很強(qiáng)的背應(yīng)力強(qiáng)化效應(yīng)，提高了軟相的強(qiáng)度，而在沖擊載荷下，軟相又能通過TWIP效應(yīng)和位錯(cuò)滑移協(xié)調(diào)更多的變形，這也是900A實(shí)驗(yàn)鋼同時(shí)具有較高強(qiáng)度和超低溫韌性的原因。
（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)性能；（b）應(yīng)變硬化曲線
5、高錳奧氏體鋼的各向異性調(diào)控
在常規(guī)鑄錠-鍛造-軋制工藝條件下，高錳LNG儲罐用鋼的超低溫韌性呈顯著的各向異性，橫縱向的超低溫沖擊吸收功差值高達(dá)90J，如圖13（a）所示。為解決這一問題，采用連鑄坯-高溫轉(zhuǎn)鋼軋制工藝，顯著改善了超低溫沖擊韌性的各向異性，并且將此工藝應(yīng)用于不同成分體系的高錳LNG儲罐用鋼，發(fā)現(xiàn)此工藝均可以改善超低溫沖擊韌性的各向異性，不同強(qiáng)度級別實(shí)驗(yàn)鋼的橫向和縱向沖擊吸收功差值在15~30J之間，如圖13（b）所示。
圖13 原工藝及新工藝條件下實(shí)驗(yàn)鋼超低溫沖擊韌性的各向異性（a）原工藝和新工藝條件下沖擊韌性各向異性的比較；
6、高錳奧氏體鋼的各向異性調(diào)控
開發(fā)出應(yīng)用于4.2K超導(dǎo)領(lǐng)域的高錳極低溫用鋼，性能上兼具316LN和JK2LB（日本最近開發(fā)的高錳型不銹鋼）的優(yōu)勢，合金成本僅為前兩者的1/5?；诶煨阅芎蛿嗔秧g性協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，明確了綜合性能最佳的組織特征為高鋁鋼的大晶粒組織；所開發(fā)的高錳鋼兼具316LN的高斷裂韌性和JK2LB的高屈服優(yōu)勢（YS=1117MPa，UTS=1480MPa，TEL=34.2%，KIC=255MPa√m)。
圖14 實(shí)驗(yàn)鋼與316LN和JK2LB材料時(shí)效態(tài)樣品拉伸性能與斷裂韌性對比四、應(yīng)用情況與效果（包括有關(guān)效果對比說明圖、照片）山西太鋼不銹鋼股份有限公司、鞍鋼股份有限公司、南京鋼鐵股份有限公司和首鋼集團(tuán)有限公司攻克連鑄關(guān)鍵難題，在國內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)高錳LNG儲罐用鋼的連鑄生產(chǎn)，經(jīng)探傷和低倍檢測，無偏析、裂紋、分層缺陷，連鑄坯實(shí)物質(zhì)量良好。并實(shí)現(xiàn)高錳鋼的工業(yè)化軋制，實(shí)物照片如圖15所示。試制鋼板屈服強(qiáng)度＞400MPa，-196℃橫向沖擊吸收功＞110J，并開發(fā)出LNG儲罐用高錳鋼專有焊材和焊接工藝。
在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，東北大學(xué)大學(xué)牽頭起草《低溫壓力容器用高錳鋼鋼板》，目前已經(jīng)完成國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見，于2021年6月16日審定標(biāo)準(zhǔn)最終稿，并列入《承壓設(shè)備用鋼板和鋼帶 第5部分：規(guī)定低溫性能的高錳鋼》，如圖16所示。
圖16 高錳鋼國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和承壓設(shè)備用鋼板和鋼帶中關(guān)于高錳鋼的標(biāo)準(zhǔn)采用鞍鋼股份有限公司生產(chǎn)的6mm和8mm高錳鋼鋼板，制造了5m3的小型試驗(yàn)罐，如圖17所示。
