研究揭示氧在钢中的神秘作用

　　中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室李殿中研究员、李依依院士团队近期发现了钢中夹杂物浮力驱动通道凝固偏析形成新机制，纠正发展了上世纪60年代建立的自然对流驱动凝固偏析理论，相关研究成果11月25日发表在《自然—通讯》上。

　　据介绍，钢是由不同含量的元素组成的合金。引起制备早期失效的一个主要原因是材料凝固过程中的成分不均匀分布，即偏析。但对它背后产生机制的解释仍不清晰。偏析的基础理论核心是自然对流驱动偏析，该理论认为钢的偏析主要是由硫、磷、碳、硅、锰等元素导致的，控制偏析的主要手段是抑制流动。而在生产实践中发现，上述理论对大尺度钢铁材料偏析形成的解释存在很大争议，而且无法有效控制偏析。

　　通过对百吨级大钢锭的实物解剖和多尺度计算模拟，该团队发现，在广泛应用的钢种中，夹杂物是引起通道偏析的主要机制。通道偏析起源于以氧化物为核心的夹杂物，一定数量和尺寸的夹杂物在糊状区聚集形成的浮力效应诱导了糊状区失稳，主导了通道偏析的形成。这一研究突破了多年来冶金界普遍认为的经典自然对流理论。

　　研究结果表明，通过控制全氧和氧化物含量，可以显著减少直至消除通道偏析，在大断面铸坯无法实现快速冷却的条件下，通过控氧纯净化冶炼和合理浇注，仍可以更有效控制偏析。

　　他们发现氧和轻金属形成的复合夹杂物引发的流动驱动了铸造过程中的成分变化。在单重高达650吨的系列大钢锭的实验中，证实通过减少氧含量可以避免偏析。因此，控制氧含量来改善钢的质量是个非常有前景的方法。

　　本项研究成果揭示了氧在钢中的神秘作用，发现了氧化物夹杂是偏析形成的核心，从而发展了经典偏析形成理论，实现了偏析控制的重大技术突破。