Fe-Cr-B合金定向凝固过程中的微观结构调控与力学性能协同优化研究

为解决高铬白口铸铁在强度与韧性之间的平衡难题，研究人员通过定向凝固技术调控Fe-Cr-B合金中硼化物(M2B)的尺寸、形态及取向，实现冲击韧性提升155%、抗拉强度提高70%，为高性能耐磨材料设计提供新思路。

　　

在冶金、采矿和能源领域，高铬白口铸铁作为耐磨材料的"扛把子"已经迭代了三代，但始终被一个"魔咒"困扰——强度与韧性就像跷跷板的两端，此消彼长。特别是当材料遭遇高冲击工况时，脆性问题往往成为"阿喀琉斯之踵"。这种困境的根源在于材料内部硼化物形成的三维网状结构，就像在钢铁基体中布满了脆性"蜘蛛网"。

近年来，被称为"第四代白口铸铁"的Fe-Cr-B合金崭露头角。与传统材料不同，这种合金通过硼(B)和碳(C)的巧妙配比，可以像"分子乐高"般自由调节硼化物与基体的比例。但问题在于，工业应用中仍会出现硼化物"抱团"导致韧性骤降的情况。如何打破这种网状结构，成为材料科学家亟待解决的"哥德巴赫猜想"。

山东核装备与核工程技术研究院的Zhongli Liu团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究中，祭出了材料科学的"时空魔法"——定向凝固技术。这种技术通过精确控制凝固速度(2-500 μm/s)和200 K/cm的高温度梯度，像指挥交响乐般调控硼化物的生长行为。研究人员采用电子束区域熔炼法制备样品，结合X射线衍射(XRD)进行物相鉴定，利用电子背散射衍射(EBSD)解析晶体取向，并通过扫描电镜(SEM)观察断裂形貌，最后通过冲击和拉伸测试评估力学性能。

定向凝固形貌演变

当凝固速度从2 μm/s提升至500 μm/s时，材料内部上演了精彩的"变形记"：低速下呈现胞状马氏体与共晶组织共存的"山水画"；中速段(5-50 μm/s)转变为整齐排列的共晶"竹林"；而高速下则因成分过冷形成等轴晶的"碎玉"结构。XRD分析证实所有样品均含有α-Fe、γ-Fe和M₂B型硼化物三相。

冲击性能突破

最令人振奋的是5 μm/s样品的冲击韧性达到19.19 J/cm²，较传统铸锭(7.53 J/cm²)提升155%。SEM断口分析揭示奥秘：定向生长的棒状硼化物取代了铸锭中块状硼化物的"脆性骨架"，就像把玻璃纤维改为碳纤维，既保持强度又增加韧性。

强度提升机制

拉伸测试显示5 μm/s样品的抗拉强度达1209.31 MPa，较铸锭提高70%。EBSD分析发现关键"密码"：该条件下M₂B相的(002)晶面与凝固方向仅偏差11.0°，而铸锭的偏差高达75.7°。这就像让所有钢筋都按最佳角度排列，从而最大化承载能力。

这项研究不仅破解了耐磨材料"强则脆、韧则弱"的百年困局，更建立了"凝固速度-微观结构-力学性能"的定量关系图谱。就像为材料工程师提供了一套精准的"调控旋钮"，通过调整凝固参数即可定制材料性能。特别值得注意的是，研究中发现的(002)晶面择优取向规律，为后续开发各向异性材料提供了全新思路。该成果有望推动Fe-Cr-B合金在核电装备、矿山机械等苛刻环境中的规模化应用，实现从实验室"样品"到工业"产品"的华丽转身。