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(shí)驗(yàn)室材料加工模擬研究部李殿中研究員、李依依院士團(tuán)隊(duì)的最新研究成果―凝固偏析形成新機(jī)制，題為“鋼中夾雜物浮力驅(qū)動(dòng)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(shí)物解剖和多尺度計(jì)算模擬，該團(tuán)隊(duì)在多年的科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)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(jī)制。這一研究突破了多年來冶金界普遍認(rèn)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(shí)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(jì)60年代，核心思想是自然對流驅(qū)動(dòng)偏析。該理論認(rèn)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(dòng)。而在生產(chǎn)實(shí)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(xiàng)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(shí)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(tuán)將該項(xiàng)研究工作作為亮點(diǎn)在其新聞平臺上進(jìn)行了發(fā)布和評述，題為：“鋼的制備：向完美鑄造邁進(jìn)！”。
評述指出，“本周《自然通訊》報(bào)道了鋼在鑄造過程中質(zhì)量惡化的一個(gè)新機(jī)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(gè)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(jī)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(gè)新機(jī)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(dòng)驅(qū)動(dòng)了鑄造過程中的成分變化。在單重高達(dá)650t的系列大鋼錠的實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)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(gè)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(dòng)通道偏析演化示意圖
