《Materials Science and Engineering: A》：A strategy for enhancing the through-thickness low-temperature impact toughness of ultra-thick steel plates via electropulsing treatment
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摘要随着海洋工程的进步，对超厚钢板的性能要求不断提高。然而，非均匀的厚度方向冲击韧性仍然是其广泛应用的关键限制因素。传统的制造工艺受到滚动力穿透不足的影响，并且在回火过程中难以实现强度和韧性之间的平衡。这些限制常常导致韧性梯度以及在使用过程中的裂纹。在这项研究中，提出了一种以表面
摘要
随着海洋工程的进步，对超厚钢板的性能要求不断提高。然而，非均匀的厚度方向冲击韧性仍然是其广泛应用的关键限制因素。传统的制造工艺受到滚动力穿透不足的影响，并且在回火过程中难以实现强度和韧性之间的平衡。这些限制常常导致韧性梯度以及在使用过程中的裂纹。在这项研究中，提出了一种以表面为导向的调控策略，该策略结合了梯度温度滚动和电脉冲处理技术。这种方法使得一块120毫米厚的钢板在整个厚度范围内在-60°C时的冲击吸收能量超过了280焦耳。梯度温度滚动显著提高了钢板核心的冲击韧性。电脉冲处理通过调节表面位错结构并促进细小碳化物的析出，将表面冲击吸收能量从轧制状态的204焦耳提高到了344焦耳，提高了约68.6%。研究表明，电脉冲处理不仅能够均匀化钢板的整体性能，还能够提升其表面特性。
引言
超厚钢板是船体框架和重型设备的关键结构材料。用于极地研究船的超厚钢板面临着特别恶劣的使用环境。它们必须在极低温度下承受由浮冰碰撞和冰山挤压引起的瞬时冲击[1]。这些复杂条件会导致局部动态应力的集中，从而对低温冲击韧性和抗脆性断裂性能提出更高的要求。目前，工程师们通常通过增加钢板厚度来降低使用风险[2]。然而，这种方法会增加船舶的成本、自重和能耗，并非最佳解决方案。对于厚度较大的超厚钢板，在固态转变过程中，由于厚度较大，表面和核心之间容易形成明显的温度梯度[3]。同时，滚动变形沿厚度方向减弱，导致原奥氏体不均匀变形和再结晶，最终造成整个厚度的微观结构不均匀[4]。因此，加强薄弱区域并在整个厚度范围内均匀协调地提高低温冲击韧性仍然是关键技术挑战。
目前，传统的表面改性方法（如喷丸处理和超声波冲击处理[5]、[6]、[7]）主要用于提高金属材料的耐磨性和耐腐蚀性。这些方法的处理深度有限，通常小于1毫米，无法满足超厚钢板厚度方向性能调节的需求。目前提高超厚钢板冲击韧性的研究主要分为两条途径：第一条是合金设计，通过添加Ni、Ti、Nb和V等元素来细化晶粒并促进析出强化，从而改善机械性能[8]、[9]、[10]；但这种方法增加了生产成本和回收难度，不符合低合金化的发展趋势。第二条途径是优化滚动和热处理参数。热机械控制轧制结合回火（TMCP+T）是超厚钢板的主要生产工艺，但仍存在固有的局限性。当钢板厚度超过100毫米时，滚动力沿厚度方向迅速减小，导致核心区域的变形不足，奥氏体晶粒粗化，核心区域的冲击韧性低于表层[11]。
在我们之前的研究中，通过优化的热机械控制轧制+淬火+回火（TMCP+Q+T）工艺，80毫米厚的钢板达到了300焦耳的整个厚度方向的冲击吸收能量[12]。然而，这种方法难以应用于120毫米厚的钢板生产。刘等人[4]报告称，经过TMCP处理的100毫米厚钢板在-60°C时沿轧制方向（RD）-T/4处的最大冲击吸收能量约为214焦耳，但表层和核心的韧性仍有进一步提升的空间。梯度温度滚动已被用于厚度超过100毫米的超厚钢板轧制，为提高核心韧性提供了可行的方法。高等人[13]比较了均匀温度滚动和梯度温度滚动对100毫米厚钢板的影响，发现梯度温度滚动细化了晶粒并降低了核心区域的平均位错取向（KAM）值，使钢板在-60°C时的冲击吸收能量达到200焦耳。结合后续回火处理，梯度温度滚动还提高了整体厚度的性能均匀性。尽管这种方法提高了性能均匀性，但冲击吸收能量仍有进一步提升的空间。对于厚度超过100毫米的超厚钢板，核心区域的高冲击吸收能量不仅需要通过梯度温度滚动细化原奥氏体晶粒，还需要快速实现固态转变。然而，快速整体冷却会进一步提高表层冷却速率，可能促进马氏体的形成，这对冲击性能不利。因此，表层成为控制整体韧性的薄弱环节。回火可以改善表层韧性，但传统回火方法存在强度和韧性之间的权衡：低温回火有助于保持核心强度，但不能完全消除表层中的位错和硬化相[14]；高温回火可以改善表层中的碳化物聚集[15]和残余应力，但会使核心晶粒粗化，显著降低核心强度。相比之下，脉冲电流技术具有参数灵活、方向可控和精确改性的优势，能够针对性地补偿表层韧性不足的问题。此外，该方法结合了热效应和非热效应，在调控位错组织和优化微观结构方面表现出明显优势[16]、[17]、[18]，因此被广泛用于各种金属材料的微观结构控制和性能提升。
本研究针对120毫米厚的超厚钢板进行了研究，通过层状微观结构分析和力学测试，揭示了梯度温度滚动处理后不同深度处的微观结构与机械性能之间的关系。为了解决表层韧性不足的问题，创新性地采用了脉冲电流作为定向后处理手段。通过梯度调节相组成、位错密度和碳化物形态，在保持稳定强度的同时实现了-60°C下的高冲击韧性。这项研究为超厚钢板的非均匀性能问题提供了新的解决方案，也为生产高韧性厚金属材料和修复表面损伤提供了新途径，从而支持轻量化设计和先进设备的安全性提升。
章节摘要
材料成分与加工
铸件坯料在1200°C下保温3小时，以实现奥氏体的完全均匀化，随后进行梯度温度滚动。在整个滚动过程中，严格控制坯料表面温度在900-950°C范围内，以最小化表面脱碳；同时将核心温度控制在1150-1200°C之间，形成明显的温度梯度。在粗轧阶段，每次轧制时的压下量减少了15%
原始样品和EPT处理样品的机械性能
如图3(a)的统计结果所示，经过梯度温度滚动处理后的原始样品，在靠近表面的5毫米处的冲击吸收能量从204焦耳增加到核心区域的300焦耳，表明梯度温度滚动显著提高了核心区域的冲击性能。5毫米和15毫米处的冲击性能相对相似，这与滚动和冷却深度引起的相组成有关。经过电脉冲处理后
梯度温度滚动过程中的流动应力定量表征
为了揭示梯度温度滚动如何调节不同深度处的变形抵抗差异，基于高强度低合金钢的热变形行为，优化了一个改进的Arrhenius本构模型[21]、[22]。引入了修改后的Zener-Hollomon（Z）参数和流动应力方程，以定量描述梯度温度滚动过程中的变形抵抗机制，并明确温度的内在作用
结论
本研究通过梯度温度滚动制备了120毫米厚的FH420超高强度船用钢板，并对其机械性能、微观结构特征和碳化物演变进行了全面研究。主要发现如下：
梯度温度滚动在整个钢板厚度范围内诱导了梯度微观结构和性能的形成。
作者贡献声明
王忠学：资源协调、项目管理、资金申请。黄晓山：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源管理、方法论、数据管理。张新芳：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论、研究设计、资金申请、数据管理、概念构思。韩文良：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、软件应用、方法论、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFB3709903）、国家自然科学基金（52474410）、内蒙古自治区自然科学基金（2024ZD06）、内蒙古自治区高等教育机构国际科技合作项目（GHXM-002）以及高端轴承钢用稀土复合合金研发与应用项目（2025Z2630）的财政支持。
韩文良|张明亮|张宝玉|张涛|周梦城|马恒|王忠学|黄晓山|张新芳
