| 低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 | |
| 翁宇庆 ; 刘相华 ; 董瀚 ; 孙祖庆 ; 杨忠民等 | |
| 2004 | |
| 关键词 | 低碳铁素体/珠光体钢 超细晶强韧化 控制 低碳钢 低合钢 热轧 超细晶薄板 螺纹钢筋 板材轧制 |
| 中文摘要 | 1、显微组织由铁素体/珠光体构成的低碳碳素钢和低(微)合金钢占钢铁结构材料的80%左右，扣除冷轧和焊管等产品，以热轧为钢厂供应态的该类产品约占钢铁结构材料总量的50%左右。对该类量大面广的钢材升级换代，具有重大战略和经济意义。2、该项目的工作目标是：在保持材料的塑性和韧性基本不下降、制造成本基本不提高并少用资源前提下，达到钢材强度翻番的应用基础研究及生产技术开发。3.强度翻番导向用钢轻量化，减少钢材消耗，这有利于降低资源、能源消耗，减轻环境负担，符合“新型工业化的方向”。项目的工作进程(成果与创新)：在国家攀登计划(1997～1999)和国家973重大基础研究计划(1999～2003)支持下，该项目约300名科技人员作了八年的工作。从现象观察和系统基础研究，到关键控制技术的开发，后期形成了产品(包括钢厂的生产和用户的使用跟踪)，现正在进行产业化和工程化的工作。1、强度翻番的核心是实现超细晶化：通常，钢材强度的提高是采用细晶强化，析出强化，位错强化或固溶强化等四种方式。在铁素体/珠光体钢类中最有效的方式是细晶强化。细晶强化是唯一能同时提高强度和韧性的手段，基础研究表明，将八级晶粒度的细晶钢(晶粒尺寸～20μm)超细化至13～14级晶粒度(2～4μm)，则强度可能翻番，关键是如何形成达到超细晶的实用工业技术，这是该项目的核心创新。2、形变和相变的耦合理论与技术：20世纪80年代日本新日铁的Yada博士提出动态相变(轧钢中发生相变)的设想(2000年实验室得到证明)，90年代中期，澳大利亚Hodgson教授提出“应变诱导相变”，并在试验室得到表面超细晶(1～2μm)样品。课题组在1997年从宝钢取样，按照该种概念在实验室得到1.07μm的超细晶试样(达到当时国际最细水平)，同时研究它的机制并最终提出“形变诱导铁素体相变”理论(DIFT，DeformationInducedFerriteTransformation)，在2000年韩国浦项钢铁公司召开的“2l世纪高性能结构钢”会议的主报告中，正式(也是国际最先提出)作了它的物理冶金学报告。最近几年已得到美、欧、日、韩部分钢铁科技界人士的认同。2.1 DIFT(形变诱导铁素体相变)获得超细晶钢的热力学原理：低碳(铁素体+珠光体)钢通常热轧在单一奥氏体区轧制。轧后冷却产生γ→α相变。按照热力学原理，γ→α发生相变的热力学条件是系统总自由能△G<0，即：△G=-V(△G<,v>—△G<,E>)+A△G<,s>应小于零，(式1)。(各符号含义相同于各教科书叙述，略叙述)。若将终轧段温度下移至靠近相变点A<,3>(γ→α+γ)。在现代热连轧、并且终轧期间应变速率较高条件下，塑性变形的残留应变能不能全部释放，这部分形变能(定义为△G<,D>)在必要控制条件下转变为相变的驱动力，即：△G=-V(△G<,v>-△G<,E>)+A△G—△G<,D>…(2)。按照(2)式计算，△G<,D>愈大，A<,3>线提高愈多。在原A<,3>和形变后的新A<,3>(称为A<,D3>)区间形成了由原单相γ区向新γ+α区的变化，即轧钢中产生了新的α超细晶组织。课题组的实验(2000年发表)证明了它的正确性。2.2 DIFT理论的系统研究：该项目对DIFT理论进行了系统研究。包括热力学、形核理论、晶体学关系、新相长大理论、铁素体动态再结晶、合金元素作用等十一个方面。发表论文122篇。其中国际发表33篇。这些内容集中形成专著：“超细晶钢”一书(124万字，999页)，该书得到2003年国家科学技术学术著作基金唯一一部全额资助学术专著，在材料领域获最高分。2.3 DIFT理论指导了关键技术开发：生产技术控制的关键是奥氏体过冷和形变参数的配合。超细晶的形成是一个系统集成过程：在高轧制温度(初轧阶段)要控制奥氏体动态再结晶过程，以得到均匀细小的母相(奥氏体)；从DIFT相变产生起，就伴随有铁素体动态再结晶，两者配合可得到等轴超细、强韧性配合的希望组织：调整化学成份，使碳化物均匀粒状分布(代替片状分布)，充分运用冷却过程中的其他组织作用。上述生产技术在各钢铁公司形成自己特色，并已申报17项专利(已批准7项)。3、薄板坯连铸连轧(TSCR)纳米级析出相的发现及引起的超细晶现象：该项目组在珠钢CSP流程上，首先发现了硫化物、氧化物和氮化物以大量纳米尺寸析出相出现，该种纳米相出现引起超细晶现象并使钢材强度接近翻番。就该种发现，CSP发明者德国SMS—DEMAG公司来信确认课题组的工作。3.1纳米相析出原理(简述)：珠钢TSCR实现了高洁净。2002年1月63炉产品成分平均值如下：C 0.056；P 0.014；S 0.0052；Mn 0.37。Mn和S的溶度积落在MnS析出的固态相区，即传统(MnS)液态析出变成固态析出。而TSCR的凝固时间短，凝固冷速快，铸坯迅速处于奥氏体γ区(～1100℃，均热区)。由于锰在γ区扩散速度只有传统板坯较长时间处于δ区及双相区的1/100，Mn的低速扩散阻止了MnS的长大，使MnS处于纳米级尺寸。3.2析出相粒子对晶粒长大的阻碍作用：从北京科技大学、清华大学、日本某大学电镜试验室“背靠背”的检查证明，这些纳米级析出相使γ晶界在热轧中的迁移和长大受到了阻碍，即是“钉轧”作用，结果从F1到F6各道次轧制的γ晶粒逐步细化。强度计算证明，50%以上的强化作用来自于超细晶组织的形成。4、其他关键技术：4.1相应形成了超细晶焊接技术：通过大量研发，即对不同焊接方式(从手工焊、电弧焊、气保焊、脉冲MAG焊到等离子焊、激光焊)、不同焊接参数(低、中)热到高能量输入，不同接头方式等进行了优化选择，对不同产品(一汽的薄板、首钢的Ⅲ级超细晶碳素钢筋)进行了完整的工艺规范确定(已获中国焊接学会鉴定)，形成了核心技术，其产品证明所有焊接断裂部位不在熔化区和热影响区，而在母材。4.2发展了材料计算学(性能预报)：为了大规模稳定生产超细晶钢，通过对热轧各工序可控参数和钢材组织性能关系确定定量关系并建立了模型。以鞍钢1780mm热轧线工作为例，在全线72个工艺和物理模型中该项目自主开发10个模型，改进现有54个模型，利用现有8个模型以形成热轧软件包，再数值整合各模型，给出三场(温度、应力-应变、组织变化)耦合。目前已全面完成离线的1780mm和CSP二个软件，正在鞍钢和珠钢在线试运行。这一工作的努力，使中国成为世界上第五个掌握钢材性能预报的国家。产品开发及应用：1、宝钢、武钢、攀钢、本钢的热轧超细晶薄板已经供应一汽、东汽及其他制造厂；鞍钢、首钢的热轧超细晶中厚板也供应工程结构公司。已经生产的汽车大梁供应了超过10万辆卡车。生产使用说明，这些钢材强度翻番，但延伸率和韧性不低于原Q235的性能。用户发现超细晶热轧薄板具有优秀的冷弯及深冲性。2、首钢、鞍钢、淮钢等公司用Q235碳素钢(原一级钢筋成分)生产三级螺纹钢筋。首钢产品已成功建造国家大剧院，西直门交通枢纽及朝阳中央商务区，并出口新加坡。目前一批企业正在扩大生产或试制。3、珠钢已将钢号Q195改为珠钢330(ZJ330)、Q235改为珠钢400(ZJ400)，用于大量生产集装箱板。重庆重载汽车厂检验证明，原Q235可顶替低合金钢(09SiVL)使用。由于该项目的成果，已使中国成为世界上最先实现超细晶工业生产的国家。2001～2002年，该项目完成单位共生产超细晶钢191.55万吨，产值59.75亿元。由于降低制造成本(不用或少用合金元素，降低轧制温度节约能源和用碳素钢代替合金钢)，增加利税4.73亿元(不计算由于市场价格变动增加的利税)。目前正在开展的工作(产业化及工程化进展)：1、国家在973工作结束时(2003下半年)相应安排了该项目的产业化开发及应用项目：(1)863计划：“500MPa碳素钢先进工业化制造技术”，产业化目标：年生产100万吨；(2)863计划：“钢铁材料连铸连轧过程组织性能预报及监测系统”，对象：宝钢及鞍钢：(3)863计划：“超细晶钢筋标准化及建筑规范”，这是大批量实现生产超细晶钢筋生产和应用的关键；(4)北京市奥运工程用先进建材的研发及产业化项目：“碳素钢Q235合金成分开发Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋”；(5)国防科工委项目：用超细晶钢技术研究新型舰船、装甲用高强钢。2、一批钢铁公司(首、济、淮、鞍、唐、三明、萍乡、酒泉、安阳、水城、双菱)正在按该项目技术路线进行生产系统改造。若全部完成能形成年产≥400万吨超细晶钢能力。3、国家科技部、原国家计委(计高技[2001]2392号文件)列为冶金行业仅有两项之一的“优先发展的高技术产业化重点指南”项目。4、在国家发改委批准和支持下，由冶金行业十三家产、学、研单位共同组建“国家先进钢铁材料研究和工程中心”，共同以该项目成果为主线推进钢铁材料的升级换代。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 成果 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/68539]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 翁宇庆,刘相华,董瀚,等. 低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术. . 2004. |
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