微晶材料(超級(jí)鋼)

1、2022-3-712022-3-72一、超級(jí)鋼的基本概念三、超級(jí)鋼的工業(yè)應(yīng)用 四、超級(jí)鋼的服役問(wèn)題 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 二、超級(jí)鋼的制備方法 2022-3-732022-3-74面對(duì)近年來(lái)鋁和鎂等金屬材料、塑料和陶瓷等非金屬材料以及復(fù)合材料對(duì)鋼鐵材料提出的挑戰(zhàn),一個(gè)悲哀的觀點(diǎn)甚囂塵上：鋼鐵是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)！鋼鐵廠高能耗！高污染！關(guān)！并！停！高校鋼鐵專(zhuān)業(yè)撤銷(xiāo)，改名。北京鋼鐵學(xué)院？鋼鐵專(zhuān)家：改變研究方向，轉(zhuǎn)向新材料研究。鋼鐵是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)嗎？鋼鐵是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)嗎？ 2022-3-75鋼鐵沒(méi)有死！需要不斷地改進(jìn)鋼材質(zhì)量、降低成本、增強(qiáng)鋼鐵材料的競(jìng)爭(zhēng)能力。 在這種背景下出現(xiàn)了新一代鋼鐵材料超級(jí)鋼。開(kāi)發(fā)超級(jí)鋼的基本思路

2、是:通過(guò)潔凈化、均勻化、超細(xì)晶來(lái)大幅度提高鋼材的性能。（注：不是合金化、稀土化）！ 例如,對(duì)低碳鋼Q195Q235,在不添加合金元素的前提下,把屈服強(qiáng)度從200MPa級(jí)提高到400500MPa級(jí),它意味著減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、降低成本和提高效益。 有識(shí)之士的大聲疾呼有識(shí)之士的大聲疾呼 2022-3-76超級(jí)鋼開(kāi)發(fā)成功,將會(huì)促成鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域里產(chǎn)品的更新?lián)Q代。圍繞超級(jí)鋼的開(kāi)發(fā),近20年來(lái)產(chǎn)生了一場(chǎng)新的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。超級(jí)鋼的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)如火如荼超級(jí)鋼的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)如火如荼 2022-3-77新華社東京2000年月日電（記者張可喜） 日本最近研制出一種超級(jí)鋼，為加工制造業(yè)提供高性能金屬材料創(chuàng)造了條件。 據(jù)當(dāng)?shù)貓?bào)紙報(bào)道，這

3、種鋼叫做“超級(jí)金屬”，是在壓軋時(shí)把壓力增加到通常的倍，并且提高冷卻速度和嚴(yán)格控制溫度的條件下開(kāi)發(fā)成功的。其晶粒直徑僅有微米，為一般鋼鐵的。這種鋼組織細(xì)密，強(qiáng)度高，韌性大，而且即使不添加鎳、銅等元素，也能保持很高的強(qiáng)度。 2022-3-78普通鋼比較有三個(gè)顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1、超級(jí)鋼的晶粒結(jié)構(gòu)均化程度更高； 2、降低了結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)和缺陷數(shù)量，使材料純度更高； 3、細(xì)化材料的結(jié)構(gòu)使晶粒更小。 以上微觀結(jié)構(gòu)的改變是通過(guò)成分、熔制和后處理工藝實(shí)現(xiàn)的。超級(jí)鋼的強(qiáng)度比普通鋼可以提高多達(dá)一倍，投入商品化生產(chǎn)以后將對(duì)金屬材料的應(yīng)用帶來(lái)革命性進(jìn)步。 2022-3-792022-3-710要在保證塑性和韌性前提下,大幅

4、度提高普碳鋼的強(qiáng)度指標(biāo),需要合理選擇強(qiáng)韌化機(jī)制。細(xì)晶是目前所知的既能提高強(qiáng)度,又能改善韌性的主要方法。 Hall-Petch公式給出了屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸間的定量關(guān)系:s=0+kd-0.5d為晶粒的平均直徑,0為其它強(qiáng)化方式作用項(xiàng);k為鋼種常數(shù)。晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化 2022-3-711鋼材在熱軋過(guò)程中要經(jīng)歷加工硬化、回復(fù)、再結(jié)晶、相變等物理冶金過(guò)程,它們都會(huì)對(duì)晶粒尺寸產(chǎn)生影響。應(yīng)變誘導(dǎo)鐵素體相變，應(yīng)變強(qiáng)化鐵素體相變,形變強(qiáng)化鐵素體相變、形變誘導(dǎo)鐵素體相變、應(yīng)變誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)相變，都影響軋制變形中的晶粒細(xì)化現(xiàn)象。相變強(qiáng)化相變強(qiáng)化 2022-3-712軋制超級(jí)鋼的工藝控制原則如下:1)降低軋制溫度,在接近A

5、r3點(diǎn)終軋,利用形變誘導(dǎo)相變獲得形變誘導(dǎo)鐵素體,使尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的部分奧氏體處于未再結(jié)晶狀態(tài),促進(jìn)隨后鐵素體相變的發(fā)生。2)增加終軋壓下量,利用大變形產(chǎn)生的晶格畸變、位錯(cuò)累積和變形帶來(lái)的奧氏體/鐵素體相變的形核部位的增加,細(xì)化鐵素體晶粒;在變形溫度較低時(shí),增加終軋壓下量還可以使鐵素體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,從而細(xì)化鐵素體晶粒。3)終軋后短時(shí)間內(nèi)快速冷卻,抑制晶粒長(zhǎng)大,保留變形組織。4)降低終冷溫度,為控制中溫區(qū)的貝氏體轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件。將細(xì)晶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化相結(jié)合,是大幅度提高鋼材性能的有效措施。超級(jí)鋼生產(chǎn)的工藝原則超級(jí)鋼生產(chǎn)的工藝原則 2022-3-713日本日本STX-21超級(jí)鋼鐵材料研究超級(jí)鋼鐵材料研究

6、為了推動(dòng)21世紀(jì)的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，日本政府于1997年啟動(dòng)了包括信息科學(xué)、腦科學(xué)、地球科學(xué)、超級(jí)鋼科學(xué)在內(nèi)的四個(gè)大型科研項(xiàng)目?！俺?jí)鋼”的目標(biāo)是要求其強(qiáng)度相當(dāng)于現(xiàn)有鋼材的12倍、提高使用壽命一倍以上，降低環(huán)境負(fù)擔(dān)、降低包括鋼構(gòu)件維修費(fèi)用在內(nèi)的使用期間總成本：日本希望在2015年前后，以“超級(jí)鋼”更換20世紀(jì)70年代日本經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)時(shí)期建立的各種基本建設(shè)設(shè)施，這 些設(shè)施到2015年前后，都已服役50年，需要更新了。2022-3-714日本日本STX-21超級(jí)鋼鐵材料研究超級(jí)鋼鐵材料研究2022-3-715日本日本STX-21超級(jí)鋼鐵材料研究超級(jí)鋼鐵材料研究2022-3-716日本日本STX-21

7、超級(jí)鋼鐵材料研究超級(jí)鋼鐵材料研究2022-3-7172022-3-7182022-3-719v普通碳素結(jié)構(gòu)鋼400-500MPa級(jí)v低合金鋼屈服強(qiáng)度800MPa級(jí)v合金結(jié)構(gòu)鋼的抗拉強(qiáng)度1500MPa級(jí)我國(guó)也于10年前開(kāi)始啟動(dòng)“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目。其最終目標(biāo)，是將占我國(guó)鋼產(chǎn)量60以上三類(lèi)鋼(碳素鋼、低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼)的強(qiáng)度或壽命提高一倍。超級(jí)鋼：將現(xiàn)代冶金理論和最新控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用純凈化、微合金化、超強(qiáng)力軋制下快冷、形變誘導(dǎo)相變、可變強(qiáng)磁場(chǎng)精密熱處理等技術(shù)，制成的超細(xì)晶粒鋼。 2022-3-720400MPa超級(jí)鋼超級(jí)鋼 按照上述思路和工藝原則, 寶鋼進(jìn)行400MPa超級(jí)鋼

8、板卷試生產(chǎn)和工業(yè)批量生產(chǎn),累計(jì)產(chǎn)量達(dá)5000多噸。用與Q235相同成分鋼生產(chǎn)出平均晶粒尺寸為3.5m、性能優(yōu)異的超級(jí)鋼(表2)。2022-3-7212022-3-722500MPa超級(jí)鋼的生產(chǎn)超級(jí)鋼的生產(chǎn) 生產(chǎn)500MPa級(jí)超級(jí)鋼需要采用復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理,即一方面要得到細(xì)晶粒,另一方面希望得到一定量的貝氏體,起相變強(qiáng)化作用,因此需要對(duì)軋后冷卻過(guò)程的中溫轉(zhuǎn)變進(jìn)行更為精細(xì)的控制。用本鋼1700軋機(jī)生產(chǎn)的500MPa超級(jí)鋼的性能數(shù)據(jù)和金相照片分別如表3和圖2所示。2022-3-723超細(xì)化思路超細(xì)化思路 胞狀亞結(jié)構(gòu)的限制作用胞狀亞結(jié)構(gòu)的限制作用 微合金析出物的釘扎作用微合金析出物的釘扎作用 針狀鐵素體的

9、分割作用針狀鐵素體的分割作用 中溫轉(zhuǎn)變組織中溫轉(zhuǎn)變組織:-800MPa超細(xì)組織鋼超細(xì)組織鋼RelaxationPrecipitationControlling2022-3-724800MPa超細(xì)組織鋼典型組織超細(xì)組織鋼典型組織板條束的寬度在3-6m范圍，板條寬度在0.5m左右 2022-3-725前景：超級(jí)鋼其勢(shì)洶洶v 我國(guó)的超級(jí)鋼近年來(lái)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì)，2002年超級(jí)鋼年產(chǎn)量0.58萬(wàn)噸；2003年2.6萬(wàn)噸；2004年30萬(wàn)噸；2005年完成200多萬(wàn)噸；2009年1000萬(wàn)噸.v 當(dāng)年，中國(guó)工程院院士王占國(guó)研究員曾在院士論壇會(huì)上建議，我國(guó)在5年內(nèi)形成1000萬(wàn)噸超級(jí)鋼年產(chǎn)能。 202

10、2-3-7262022-3-727我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量 1996 10124 588 6.2%1997 10894 770 7.6%1998 11559 665 6.1%1999 12426 867 7.5%2000 12850 424 3.4%2001 15163 2313 18.0%2002 18237 3074 20.3%2003 22234 3997 21.9%2004 28291 6057 27.2%2005 35310 7019 24.8%2006 42266 6956 19.7%2007 48966 6700 15.9% 2008 54026 5160 2009 56784 2758

11、2010 62500 5716 而美國(guó)1945年8200萬(wàn)噸，1997年9700萬(wàn)噸2022-3-728汽車(chē)生產(chǎn)廠急需新材料,以減輕車(chē)自身質(zhì)量,減少油耗。在這種背景下,超級(jí)鋼首先在汽車(chē)制造行業(yè)中找到了市場(chǎng)。寶鋼生產(chǎn)的400MPa級(jí)超級(jí)鋼,用于一汽集團(tuán)作卡車(chē)底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)前置橫梁(圖3),收到了良好的效果,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。過(guò)去該零件用微合金鋼制作,現(xiàn)在用不含合金元素的超級(jí)鋼替代,每噸鋼可以節(jié)省200300元。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)批量供貨。超級(jí)鋼在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)用超級(jí)鋼在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)用圖3 用超級(jí)鋼制作的卡車(chē)橫梁2022-3-729 500MPa級(jí)超級(jí)鋼用于卡車(chē)縱梁(圖4)。縱梁是卡車(chē)的關(guān)鍵承

12、重部件,用量大,經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加明顯。普碳鋼品種的升級(jí)換代將帶動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,汽車(chē)設(shè)計(jì)師在新車(chē)型設(shè)計(jì)時(shí),選擇材料會(huì)有更大的發(fā)揮空間,通過(guò)減少鋼板厚度、減輕結(jié)構(gòu)件尺寸及質(zhì)量,從而減輕車(chē)身自身質(zhì)量,降低油耗,改進(jìn)車(chē)輛的性能。目前本鋼生產(chǎn)的500MPa級(jí)超級(jí)鋼已經(jīng)為金州車(chē)架廠供貨,取得了鋼材生產(chǎn)廠和用戶“雙贏”的效果。2022-3-730建筑行業(yè)是普碳鋼應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域,建筑型鋼和鋼筋量大面廣,應(yīng)用超級(jí)鋼替代傳統(tǒng)的級(jí)鋼筋具有良好的前景。據(jù)介紹,國(guó)外鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為300MPa、400MPa和500MPa級(jí),其中400MPa級(jí)已經(jīng)成為主導(dǎo)受力鋼筋,500MPa級(jí)已開(kāi)始應(yīng)用。為扭轉(zhuǎn)我國(guó)混凝土用鋼水平

13、落后的局面,新修訂的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范將屈服強(qiáng)度為400MPa的級(jí)鋼筋作為主導(dǎo)受力鋼筋,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為360MPa,強(qiáng)度價(jià)格比優(yōu)于級(jí)鋼筋15%以上。超級(jí)鋼在建筑行業(yè)中的應(yīng)用超級(jí)鋼在建筑行業(yè)中的應(yīng)用 2022-3-731過(guò)去我國(guó)生產(chǎn)級(jí)鋼筋通常采用增加合金元素的辦法來(lái)提高強(qiáng)度,現(xiàn)在利用超級(jí)鋼生產(chǎn)的思路,從技術(shù)的角度已經(jīng)有充分的把握在不添加合金元素的前提下用Q235的成分生產(chǎn)出400MPa的鋼筋。超級(jí)鋼作為級(jí)鋼筋的廣闊應(yīng)用前景將變?yōu)榫薮蟮氖袌?chǎng)商機(jī)。2022-3-732依靠添加微合金元素來(lái)改善性能的造船用鋼、橋梁用鋼、容器用鋼等均可考慮通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高強(qiáng)度、改善韌性,保證所需要的性能。過(guò)去我國(guó)一些軋鋼

14、廠,特別是中厚板廠在產(chǎn)品性能(主要是力學(xué)性能)不合格時(shí),常用添加微合金元素V、Ti和Na的方法來(lái)改善性能,使產(chǎn)品的成本升高。如果按照超級(jí)鋼的思路,利用控制軋制及冷卻過(guò)程的參數(shù)來(lái)細(xì)化晶粒、改善性能,可以節(jié)省微合金元素用量,降低成本,增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。超級(jí)鋼在其它行業(yè)中的應(yīng)用超級(jí)鋼在其它行業(yè)中的應(yīng)用 2022-3-733v近年來(lái)，超級(jí)鋼標(biāo)志性成果是開(kāi)始利用超級(jí)鋼產(chǎn)品減重節(jié)材，寶鋼梅山超級(jí)鋼橋梁板、鋼管研究開(kāi)發(fā)成功，用6mm超級(jí)鋼鋼管替代8mm厚度低合金鋼管，抗撞擊性能大大優(yōu)于普通的結(jié)構(gòu)鋼，并且直接應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)工程上海東海大橋，已經(jīng)使用該產(chǎn)品4000余噸，經(jīng)過(guò)計(jì)算節(jié)約鋼材1000余噸，以每噸

15、5000元計(jì)，直接經(jīng)濟(jì)效益500萬(wàn)元，鋼板減薄后，降低了大橋整體自重，社會(huì)效益也相當(dāng)可觀。 2022-3-7342022-3-735如建筑、造船、橋梁、容器等很多用鋼都需要焊接,焊接時(shí)焊口和熱影響區(qū)局部組織結(jié)構(gòu)和性能會(huì)發(fā)生變化,開(kāi)發(fā)新的焊接工藝,抑制焊口和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大,使之與基體的性能差別盡可能地減小,是超級(jí)鋼推廣應(yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。超晶粒鋼的焊接問(wèn)題超晶粒鋼的焊接問(wèn)題 2022-3-736如大直徑棒材、厚規(guī)格板材在軋制和冷卻過(guò)程中容易產(chǎn)生表面與內(nèi)部的變形不均勻與溫度、冷卻速度的不均勻,這勢(shì)必帶來(lái)內(nèi)外晶粒尺寸等組織和性能方面的差異。這種差異將對(duì)此類(lèi)工件的使用性能產(chǎn)生不利影響,這也是超級(jí)鋼開(kāi)發(fā)往往先從薄規(guī)格板材和小規(guī)格棒材開(kāi)始的原因,今后開(kāi)發(fā)大尺寸工件的超級(jí)鋼,需要攻克組織和性能均勻性這個(gè)難題。大尺寸工件的組織與性能大尺寸工件的組織與性能均勻性問(wèn)題均勻性問(wèn)題 2022-3-737利用細(xì)晶機(jī)制來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度,一般來(lái)說(shuō)對(duì)提高屈服強(qiáng)度的效果比提高抗拉強(qiáng)度更為明顯,其結(jié)果是當(dāng)?shù)吞间摰那?qiáng)度提高幅度很大時(shí),使得產(chǎn)品的屈/強(qiáng)比增加,這對(duì)某些場(chǎng)合(如耐火、防震性能)是不利的。此外,依靠細(xì)化晶粒來(lái)提高強(qiáng)度的作用是有限的,強(qiáng)度要