研究揭示氧在鋼中的神秘作用

　　中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室李殿中研究員、李依依院士團隊近期發現了鋼中夾雜物浮力驅動通道凝固偏析形成新機制，糾正發展了上世紀60年代建立的自然對流驅動凝固偏析理論，相關研究成果11月25日發表在《自然—通訊》上。

　　據介紹，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。但對它背后產生機制的解釋仍不清晰。偏析的基礎理論核心是自然對流驅動偏析，該理論認為鋼的偏析主要是由硫、磷、碳、硅、錳等元素導致的，控制偏析的主要手段是抑制流動。而在生產實踐中發現，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，該團隊發現，在廣泛應用的鋼種中，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，一定數量和尺寸的夾雜物在糊狀區聚集形成的浮力效應誘導了糊狀區失穩，主導了通道偏析的形成。這一研究突破了多年來冶金界普遍認為的經典自然對流理論。

　　研究結果表明，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。

　　他們發現氧和輕金屬形成的復合夾雜物引發的流動驅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，發現了氧化物夾雜是偏析形成的核心，從而發展了經典偏析形成理論，實現了偏析控制的重大技術突破。