摘要
超级奥氏体不锈钢以其优异的耐蚀性能广泛应用于烟气脱硫、垃圾焚烧等极端腐蚀环境，由于高的Cr、Mo含量，在凝固过程中Mo偏析严重，致使析出相析出敏感，严重影响了材料的耐腐蚀性能和力学性能。耐蚀性和强度是一对矛盾体，超级奥氏体不锈钢成分设计以不降低其耐蚀性为前提即以固溶强化为主，但提高幅度有限。随着“双碳”战略实施，核能、太阳能发电装备等对超级奥氏体不锈钢“超高强、超耐蚀”提出了更高需求。本课题组近年来围绕元素 B 在超级奥氏体不锈钢的作用开展了研究，发现B可抑制富Cr、Mo的σ相析出，B易溶于Laves相形成含B富Mo的Laves相， B虽可明显改善热塑性、耐蚀性，但对力学性能提升不明显。为进一步提升超级奥氏体不锈钢的力学性能，本研究从原子层次提出了 B、Nb 协同，提升超级奥氏体不锈钢强度的成分优化设计新思路，利用B调控Mo、Cr晶界分布、提升界面结合，与Nb析出强化组合共同作用，设计“高强、高耐蚀”的超级奥氏体不锈钢。鉴于 B 检测技术的难度，难以从实验上获得 B 在超奥钢中对力学性能所起的作用，故本文采用第一性原理密度泛函理论，结合超级奥氏体不锈钢中主要元素，重点分析 B、Cr、Mo等易偏析于缺陷的元素对层错能及塑性变形的影响；探明强析出相形成元素Nb等在奥氏体中空位缺陷层错处富集、形核，析出强化的作用；探索晶界处B、Mo对S晶界脆化的影响以强化界面结合。这些研究有助于为微合金化优化设计具有更高强度、高耐蚀的超级奥氏体不锈钢提供理论指导，研究结果如下： 1、Cr、Cu、Mn、Mo、Nb、Ni、Ti、V 等合金元素在 Σ3(111)、Σ3(112)、Σ5(210)、Σ5(310)、Σ9(114)和 Σ9(221)六类晶界均可稳定存在；所有元素在 Σ3(111)晶界均无偏析倾向；除 Ni、Si、Mn 外，其余合金元素在其他六类晶界处均有偏析倾向；各元素在Σ5(310)和Σ9(221)晶界的偏析倾向较严重，在Σ5(310)晶界的偏析区域较宽。 2、随着层错区域Mo含量的增加，γ-Fe层错能降低；γ-Fe中含有空位缺陷时，Mo呈现向空位缺陷周边自发聚集的趋势，空位缺陷聚集有Mo的层错区域可减小体系的层错能。层错区域Mo浓度的增加有利于超级奥氏体不锈钢塑性变形的发生。 3、B处于γ-Fe结构间隙位时，明显增加体系的层错能，增大材料滑移变形的难度， B-空位组合处于层错面时，可降低体系层错能；B 易占据含层错结构中空位处，Mo 易聚集于 B邻近区域，B、Mo共存于含空位层错结构可增加层错能，加大体系塑性变形 的难度。 4、Nb/Ti/V、C/N均易偏析于 Σ3(112)、Σ5(210)、Σ5(310)、Σ9(114)和 Σ9(221)五类晶界，但在 γ-Fe (111)面的层错区域没有偏聚倾向，当层错中含有空位时，Nb、Ti、V、C、N有在含空位层错偏析的趋势；C/N位于空位时，Nb、Ti、V更易于向其临近共偏聚，为Nb/Ti/V碳化物和氮化物的形核创造条件，Nb/Ti/V和C/N共偏析于层错空位区域时，Cr、Mo 难以在其附近偏析；B-空位组合抑制 Nb/C/N 在其临近的偏析倾向，可调控C/N、Nb/Ti/V在空位缺陷的聚集。 5、B 极易偏析于奥氏体晶界，并提高界面的结合能力；S 易偏析于 Σ3(112)、Σ5(210)、Σ5(310)、Σ9(114)和Σ9(221)五类晶界，尤其在Σ5(210)晶界偏析倾向最严重。S在Σ5(210)晶界聚集会导致界面区域层间距加大，并引起界面开裂；晶界含有Cr、Mo时能抑制S对晶界产生的脆化，Cr、Mo晶界协同对抑制S晶界脆化作用更为明显；晶界处的B抑制S晶界偏析的作用强于Cr和Mo复合作用，B可缩小含S晶界界面处键长，削弱S引起的晶界脆化现象，提升界面结合能力。
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