高性能钢铁材料研究

高性能钢铁材料研究

钢铁工业属于资源、资金和科技密集型产业，含括了地质、采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧制和金属制品等系列工程，是生产、经营、科技和经济的综合体。钢铁制造过程在消耗大量原材料和能源的同时，也带动了机械、电力、化工、建材、交通、房地产和农副产品等部门和行业的发展。无论是在过去和现在，还是在将来相当长的历史时期内，钢铁工业的发展水平仍然是衡量一个国家工业化和现代化水平高低的重要标志之一。

随着航天、兵工、汽车等事业的飞速发展，对材料提出了更高的要求，不仅要求材料具有超高强度，而且要求具有高的韧性、高的抗剪切失稳能力，以保证各种部件的安全可靠运行。几十年来，先后发展了多种高性能的钢铁材料。高性能钢铁材料的含义是：在环境性、资源性和经济性的约束下，采用先进制造技术生产具有高洁净度、高均匀度、超细晶粒特征的钢材，强度和韧度比传统钢材提高，钢材使用寿命增加。满足21世纪国家经济和社会发展的需求，开发新一代高性能钢铁材料的生产技术及其加工技术，降低钢铁材料同比消耗，提高材料寿命、提高材料寿命，实现钢铁材料制备、加工和食用过程的节约化和技术化。

1 高性能钢铁研究技术

在20世纪高性能钢铁研究的技术成就主要有：低成本高效化洁净钢生产技术、大板坯高速连铸技术、炉渣干法粒化技术、粉矿低温快速还原技术、高品质板带材关键生产技术、高品质特殊钢生产技术、基于氢冶金的熔融还原炼钢技术、微合金化钢技术、超细晶粒钢技术、氮合金化不锈钢技术、高质量特殊钢技术和钢材组织性能预报和材料信息化技术。钢铁材料本身在21世纪还会发生重要的变革，最终将会导致钢铁材料的性能显著提高，并将对整个社会发展起巨大的推动作用。

2 高性能钢铁方面的成就

经过科研人员的不懈努力积累和创造，在钢铁材料科学和技术上取得了巨大的进步，开发出了微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢等高性能钢材。

2.1微合金化钢

Nb、V、Ti和Al是常用的微合金强化元素。微合金化是一个笼统的概念，通常是指在原有主加元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮化物形成元素，从而对钢的力学性能、耐蚀性、耐热性等性能起有利作用。

2.2超细晶粒钢

超细晶粒钢是当今世界钢铁材料技术领域的研发热点。从20世纪90年代末开始，日本、韩国、中国和欧盟等国家先后投入巨资进行超细晶粒钢的研发。通过对晶粒细化理论的深入研究，已经研究出许多获得微米级晶粒细化的技术，并且对微米级超细晶粒钢进行了工业生产，使钢铁材料的性能有了很大程度上的提高。但是也存在一些不足之处，如超细晶粒钢的焊接技术尚未得到彻底解决，超细晶粒钢的均匀延伸性较低，特别是在晶粒达到1μm左右，甚至没有均匀延伸性，这些严重制约了超细晶粒钢的应用范围

2.3氮合金化不锈钢

应用氮合金化可以替代不锈钢的镍元素，降低成本，提高性能。从20世纪20年代开始，人们发现在不锈钢中氮可以提高强度，后来又陆续发现其对钢的耐蚀性能有益。阻碍氮作为合金元素使用的主要因素主要是氮的加入问题。随着加压

冶金技术的发展，氮可以较大含量固溶于钢中，并因此改善钢的性能。目前国外已开发了多种高氮钢的冶炼技术，包括等离子冶炼、加压感应炉冶炼、加压电渣重熔冶炼、粉末冶金以及利用先进的计算机合金设计方法进行的常压下高氮钢的冶炼等。

2.4高质量特殊钢

为了便于机械加工，按照传统冶金生产工艺流程生产出的特殊钢材，如冷镦钢、轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、合结钢和碳结钢等需要先进行软化退火处理。利用轧制热进行在线软化退火处理，不需要离线重新加热，节能降耗效果显著。目前，许多国家相继开展了特殊钢的在线软化处理技术的研发，主要以高碳GCrl5轴承钢的控轧控冷和在线球化退火处理为主，而对于中碳钢和中碳合结钢的研究工作有限。

疲劳失效是钢制机械零部件的主要失效方式。影响疲劳性能的主要因素包括硬度、夹杂物和表面缺陷。通常改善疲劳性能的方法是减少易成为疲劳破坏源的夹杂物、表面缺陷和脱碳等。当采用工艺方法(如对线材或半产品采用车削、磨削等去皮技术)获得无表面缺陷和脱碳的光亮材后，进一步改善疲劳性能就需要控制杂质元素和夹杂物。

2.5高性能钢材最新研究

2.5.1铌钢

析出铌可促进变形诱导铁素体相变，而且还可以阻止铁素体晶粒的长大。在通过合金化研究高性能钢铁材料研究方面，钢中Nb的作用机理研究机器高性能高铌钢的开发和应用得到了较广泛的重视，钢中溶解铌含量显著地提高了材料的非结晶温度，这就允许钢在较高的温度下进行轧制兵获得较高的强度和韧性。告铌钢可以降低轧机负荷，提高生产效率，并不需在钢中添加一些高贵的合金元素。为了开发和扩大高铌钢的应用，需要研究高铌钢中铌在基体及碳化物种的分配比例关系、铌对热变形行为、碳化钨吸储、相变动力学的影响，及与其他合金元素的作用，进一步提出高铌钢的组织性能控制的成分设计和工艺控制原则，以及高铌钢的焊接性能、低温断裂韧性和疲劳性能。

为此，国家成立了中信为合金化技术中心、上海大学铌钢研究中心等研究机构，以期望在高性能铌钢方面取得更大的研究成果和更广泛的应用推广

2.5.2厚大钢板

海军使用的合金钢和装甲钢板在服役过程中承受着复杂的载荷和环境，除具有高强度、良好焊接性能外，还要求在这些环境中具有高断裂韧性和疲劳性能。HSLA-80以上厚规格钢板制备技术的开发将为未来海军提供低成本高性能的钢铁材料，以满足海军舰艇的性能要求，并减轻舰艇重量，提高防护性能，抵御未来武器的威胁。

2.5.3 非调质钢

中碳钢及中碳低合盒结构钢，多数是调质处理后，用以生产汽车、拖拉机、机床、建筑机械。由于调质热处理造成工件的生产周期延长、生产工艺复杂、能源消耗大、生产成本高，因而，为了简化生产工艺、缩短生产周期、节约能源、降低工件成本、提高工件质量，从70年代开始，世界各国均相继进行了微合金中碳非调质钢的研制，并先后建立了各自的钢号和标准。我国在非调质钢港面筋行了大量的研究工作，开发出了GF40SiMnVS、32Mn2SiV等高强高韧非调质钢。

2.5.4抗大变形高性能管线钢热轧钢板