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1、2018/9/15,1,第三章 微晶合金材料 （超级钢）,2018/9/15,2,一、超级钢的基本概念,三、超级钢的工业应用,四、超级钢的服役问题,主要内容,二、超级钢的制备方法,2018/9/15,3,一、超级钢的基本概念,2018/9/15,4,面对近年来铝和镁等金属材料、塑料和陶瓷等非金属材料以及复合材料对钢铁材料提出的挑战, 一个悲哀的观点甚嚣尘上：钢铁是夕阳产业！钢铁厂高能耗！高污染！关！并！停！高校钢铁专业撤销，改名。北京钢铁学院？钢铁专家：改变研究方向，转向新材料研究。,钢铁是夕阳产业吗？,2018/9/15,5,钢铁没有死！需要不断地改进钢材质量、降低成本、增强钢铁材料的竞争能
2、力。在这种背景下出现了新一代钢铁材料超级钢。开发超级钢的基本思路是:通过洁净化、均匀化、超细晶来大幅度提高钢材的性能。（注：不是合金化、稀土化）！例如,对低碳钢Q195Q235,在不添加合金元素的前提下,把屈服强度从200MPa级提高到400500MPa级,它意味着减轻结构质量、降低成本和提高效益。,有识之士的大声疾呼,2018/9/15,6,超级钢开发成功,将会促成钢铁生产领域里产品的更新换代。围绕超级钢的开发,近20年来产生了一场新的国际竞争。,超级钢的国际竞争如火如荼,2018/9/15,7,新华社东京2000年月日电（记者张可喜）日本最近研制出一种超级钢，为加工制造业提供高性能金属材料
3、创造了条件。 据当地报纸报道，这种钢叫做“超级金属”，是在压轧时把压力增加到通常的倍，并且提高冷却速度和严格控制温度的条件下开发成功的。其晶粒直径仅有微米，为一般钢铁的。这种钢组织细密，强度高，韧性大，而且即使不添加镍、铜等元素，也能保持很高的强度。,2018/9/15,8,普通钢比较有三个显微结构特点,1、超级钢的晶粒结构均化程度更高；2、降低了结构中杂质和缺陷数量，使材料纯度更高；3、细化材料的结构使晶粒更小。以上微观结构的改变是通过成分、熔制和后处理工艺实现的。超级钢的强度比普通钢可以提高多达一倍，投入商品化生产以后将对金属材料的应用带来革命性进步。,2018/9/15,9,二、超级钢的
4、制备方法,2018/9/15,10,要在保证塑性和韧性前提下,大幅度提高普碳钢的强度指标,需要合理选择强韧化机制。细晶是目前所知的既能提高强度,又能改善韧性的主要方法。Hall-Petch公式给出了屈服强度与晶粒尺寸间的定量关系:s=0+kd-0.5d为晶粒的平均直径,0为其它强化方式作用项; k为钢种常数。,晶粒细化,2018/9/15,11,钢材在热轧过程中要经历加工硬化、回复、再结晶、相变等物理冶金过程,它们都会对晶粒尺寸产生影响。应变诱导铁素体相变，应变强化铁素体相变,形变强化铁素体相变、形变诱导铁素体相变、应变诱导动态相变，都影响轧制变形中的晶粒细化现象。,相变强化,2018/9/1
5、5,12,轧制超级钢的工艺控制原则如下: 1)降低轧制温度,在接近Ar3点终轧,利用形变诱导相变获得形变诱导铁素体,使尚未发生转变的部分奥氏体处于未再结晶状态,促进随后铁素体相变的发生。 2)增加终轧压下量,利用大变形产生的晶格畸变、位错累积和变形带来的奥氏体/铁素体相变的形核部位的增加,细化铁素体晶粒;在变形温度较低时,增加终轧压下量还可以使铁素体发生动态再结晶,从而细化铁素体晶粒。 3)终轧后短时间内快速冷却,抑制晶粒长大,保留变形组织。 4)降低终冷温度,为控制中温区的贝氏体转变创造条件。将细晶强化和相变强化相结合,是大幅度提高钢材性能的有效措施。,超级钢生产的工艺原则,2018/9/1
6、5,13,日本STX-21超级钢铁材料研究,为了推动21世纪的科学和经济发展，日本政府于1997年启动了包括信息科学、脑科学、地球科学、超级钢科学在内的四个大型科研项目。“超级钢”的目标是要求其强度相当于现有钢材的12倍、提高使用寿命一倍以上，降低环境负担、降低包括钢构件维修费用在内的使用期间总成本： 日本希望在2015年前后，以“超级钢”更换20世纪70年代日本经济高速增长时期建立的各种基本建设设施，这 些设施到2015年前后，都已服役50年，需要更新了。,2018/9/15,14,日本STX-21超级钢铁材料研究,2018/9/15,15,日本STX-21超级钢铁材料研究,2018/9/1
7、5,16,日本STX-21超级钢铁材料研究,2018/9/15,17,2018/9/15,18,2018/9/15,19,中国“新一代钢铁材料”研究,普通碳素结构钢400-500MPa级 低合金钢屈服强度800MPa级 合金结构钢的抗拉强度1500MPa级,我国也于10年前开始启动“新一代钢铁材料重大基础研究”项目。其最终目标，是将占我国钢产量60以上三类钢(碳素钢、低合金钢、合金结构钢)的强度或寿命提高一倍。超级钢：将现代冶金理论和最新控制技术相结合，应用纯净化、微合金化、超强力轧制下快冷、形变诱导相变、可变强磁场精密热处理等技术，制成的超细晶粒钢。,2018/9/15,20,400MPa超
8、级钢,按照上述思路和工艺原则, 宝钢进行400MPa超级钢板卷试生产和工业批量生产,累计产量达5000多吨。用与Q235相同成分钢生产出平均晶粒尺寸为3.5m、性能优异的超级钢(表2)。,2018/9/15,21,晶粒细化-400MPa碳素钢,2018/9/15,22,500MPa超级钢的生产,生产500MPa级超级钢需要采用复合强化机理,即一方面要得到细晶粒,另一方面希望得到一定量的贝氏体,起相变强化作用,因此需要对轧后冷却过程的中温转变进行更为精细的控制。用本钢1700轧机生产的500MPa超级钢的性能数据和金相照片分别如表3和图2所示。,2018/9/15,23,超细化思路 胞状亚结构的
9、限制作用微合金析出物的钉扎作用针状铁素体的分割作用,中温转变组织: -800MPa超细组织钢,Relaxation Precipitation Controlling,2018/9/15,24,800MPa超细组织钢典型组织,板条束的宽度在3-6m范围，板条宽度在0.5m左右,2018/9/15,25,前景：超级钢其势汹汹,我国的超级钢近年来呈现出迅猛的发展态势，2002年超级钢年产量0.58万吨；2003年2.6万吨；2004年30万吨；2005年完成200多万吨；2009年1000万吨.当年，中国工程院院士王占国研究员曾在院士论坛会上建议，我国在5年内形成1000万吨超级钢年产能。,201
10、8/9/15,26,三、超级钢的应用,2018/9/15,27,我国的钢铁产量,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 54
11、026 5160 2009 56784 27582010 62500 5716而美国1945年8200万吨，1997年9700万吨,2018/9/15,28,汽车生产厂急需新材料,以减轻车自身质量,减少油耗。在这种背景下,超级钢首先在汽车制造行业中找到了市场。宝钢生产的400MPa级超级钢,用于一汽集团作卡车底盘发动机前置横梁(图3),收到了良好的效果,各项指标均满足要求。过去该零件用微合金钢制作,现在用不含合金元素的超级钢替代,每吨钢可以节省200300元。目前已经实现千吨级批量供货。,超级钢在汽车制造业中的应用,图3 用超级钢制作的卡车横梁,2018/9/15,29,500MPa级超级钢用
12、于卡车纵梁(图4)。纵梁是卡车的关键承重部件,用量大,经济效益会更加明显。普碳钢品种的升级换代将带动汽车行业的技术进步,汽车设计师在新车型设计时,选择材料会有更大的发挥空间,通过减少钢板厚度、减轻结构件尺寸及质量,从而减轻车身自身质量,降低油耗,改进车辆的性能。目前本钢生产的500MPa级超级钢已经为金州车架厂供货,取得了钢材生产厂和用户“双赢”的效果。,2018/9/15,30,建筑行业是普碳钢应用最为广泛的领域,建筑型钢和钢筋量大面广,应用超级钢替代传统的级钢筋具有良好的前景。据介绍,国外钢筋强度等级为300MPa、400MPa和500MPa级,其中400MPa级已经成为主导受力钢筋, 5
13、00MPa级已开始应用。为扭转我国混凝土用钢水平落后的局面,新修订的混凝土结构设计规范将屈服强度为400MPa的级钢筋作为主导受力钢筋,其设计强度为360MPa,强度价格比优于级钢筋15%以上。,超级钢在建筑行业中的应用,2018/9/15,31,过去我国生产级钢筋通常采用增加合金元素的办法来提高强度,现在利用超级钢生产的思路,从技术的角度已经有充分的把握在不添加合金元素的前提下用Q235的成分生产出400MPa的钢筋。超级钢作为级钢筋的广阔应用前景将变为巨大的市场商机。,2018/9/15,32,依靠添加微合金元素来改善性能的造船用钢、桥梁用钢、容器用钢等均可考虑通过细化晶粒来提高强度、改善
14、韧性,保证所需要的性能。过去我国一些轧钢厂,特别是中厚板厂在产品性能(主要是力学性能)不合格时,常用添加微合金元素V、Ti和Na的方法来改善性能,使产品的成本升高。如果按照超级钢的思路,利用控制轧制及冷却过程的参数来细化晶粒、改善性能,可以节省微合金元素用量,降低成本,增强产品的市场竞争能力。,超级钢在其它行业中的应用,2018/9/15,33,近年来，超级钢标志性成果是开始利用超级钢产品减重节材，宝钢梅山超级钢桥梁板、钢管研究开发成功，用6mm超级钢钢管替代8mm厚度低合金钢管，抗撞击性能大大优于普通的结构钢，并且直接应用于国家重点工程上海东海大桥，已经使用该产品4000余吨，经过计算节约钢
15、材1000余吨，以每吨5000元计，直接经济效益500万元，钢板减薄后，降低了大桥整体自重，社会效益也相当可观。,2018/9/15,34,四、超级钢应用 的关键问题,2018/9/15,35,如建筑、造船、桥梁、容器等很多用钢都需要焊接,焊接时焊口和热影响区局部组织结构和性能会发生变化,开发新的焊接工艺,抑制焊口和热影响区的晶粒长大,使之与基体的性能差别尽可能地减小,是超级钢推广应用中必须解决的关键问题。,超晶粒钢的焊接问题,2018/9/15,36,如大直径棒材、厚规格板材在轧制和冷却过程中容易产生表面与内部的变形不均匀与温度、冷却速度的不均匀,这势必带来内外晶粒尺寸等组织和性能方面的差异。这种差异将对此类工件的使用性能产生不利影响,这也是超级钢开发往往先从薄规格板材和小规格棒材开始的原因,今后开发大尺寸工件的超级钢,需要攻克组织和性能均匀性这个难题。,大尺寸工件的组织与性能均匀性问题,2018/9/15,37,利用细晶机制来提高钢材的强度,一般来说对提高屈服强度的效果比提高抗拉强度更为明显,其结果是当低碳钢的屈服强度提高幅度很大时,使得产品的屈/强比增加,这对某些场合(如耐火、防震性能)是不利的。此外,依靠细化晶粒来提高强度的作用是有限的,强度要求超过一定限度时,需要考虑其他强化手段。,超级钢屈强比控制问题,2018/9/15,
