超细晶钢理论及技术进展

1997 年 4 月 ,日本开始了“新世纪结构材料 (或 超级钢材料) ”为期 10 年的研究计划 ,提出将现有 钢材强度翻番和使用寿命翻番为目标的新一代钢 材 ,称为“超级钢”并在国家组织下开展研究[1] 。之 后韩国在 1998 年启动了“21 世纪高性能结构钢”、 我国在 1998 年 10 月启动了“新一代钢铁材料”的国 家重大基础研究计划 。东亚三国相差不到一年 ,设 立相同目标的研究项目带动了欧美各国钢铁界竞 相参与和重视 。按照我们的认识 “, 新一代钢铁材 料”的特征是超细晶 、高洁净和高均匀 (高均质) ,其 研发目标是在制造成本基本不增加 ,少用合金资源 和能源 ,塑性和韧性基本不降低条件下强度翻番和 使用寿命翻番 。它的核心理论和技术是实现钢材 的超细晶 (或超细组织) 。本文就我国的进展作简 要扼述 。
and yield strength[ 2]
2. 1 形变与相变的耦合 传统压力加工 (塑性加工 ,钢厂主要指轧钢) 解
决尺寸 、形状和表面质量等问题 ,相变解决性能 、组 织和内在质量等问题 。控轧控冷 ( TMCP) 是利用控 制轧制为轧后的相变 (控冷) 奠定基础 , 两者虽有关
钢类 低碳钢 低 (微) 合金钢 合金结构钢
表 1 不同钢类确保强度翻番的超细晶化尺寸范围[ 3] Table 1 Grain size variation ensuring the doubled increase of strength[ 3]
组织 铁素体 + 珠光体 低碳贝氏体或针状铁素体 回火马氏体或贝/ 马复相钢
现有强度/ MPa ReL 约 200 ReL 约 400 Rm 约 800
图 1 各种强化机制的强化效果示意图 Fig. 1 Schematic illustration of effects illustration
of various strengthening mechanisms
照晶粒度标准的评级 , 1～3 级晶粒度 (直径 250～ 125μm) 为粗晶 ,4～6 级 (直径 88～44 μm) 为中等 晶 粒 , 7～8 级 ( 直 径 31 ～ 22 μm ) 为 细 晶 。S. Takaki[2] 及其合作者做了基础研究 , 见图 2 。若纯 铁在铁素体晶粒尺寸为 20 μm 时 ,普通钢材的屈服 强度 ReL 是 200 MPa 级 ,若细化在 5μm 以下 , ReL 就能 翻番 ;具有低碳贝氏体或针状铁素体的钢材若显微组 织细化至 2μm 以下 ,强度就能翻番 。因此超细晶钢 是将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级 ,新一 代钢材目标强度与超细晶尺寸关系见表 1[3] 。
实的确存在变形过程中γ→α的相变[9] 。90 年代中
期 , P. D. Ho dgso n 教授[10] 将 N b2Ti 复合微合金钢 在实验室单机架轧机上将带材表面轧成 1 μm 的铁
素体晶粒 ,并提出了应变诱导相变 ( st rain induced
t ransformatio n) 概念 。我们分析了这些现象并利用
铁素体 (α) 相 ,实验证明了它的正确性[13] 。
DIF T 相变有许多特性 ,笔者的文章[4 ,13] 及孙
祖庆 、董瀚 、孙新军 、杨忠民 、王国栋 、吴迪先生等的
图 4 铁 —碳相图( a) 与形变后 Ae3 线的变化( b) Fig. 4 Fe2C diagram ( a) and the variation of
储存 ,并在适当轧钢参数下促进了铁素体相变的产
生 。我们称这部分能量变化叫形变储存能ΔGD ,它 是铁素体相变的驱动力 ,式 (1) 改为式 (2)
ΔG = - V (ΔGV - ΔGE ) + SΔGS - VΔGD (2)
我们按照式 (2) 的计算发现 Fe2C 相图的 A e3
线发生变化 ,如图 4 ( b) 描述 。原有平衡 A e3 点在新 条件下成为 A d3 点 ( d , defo rmatio n) 。ΔGD 愈大 , A d3 提高愈多 。在精轧机组接近 A3 点变形可使钢 材进入双相区 (γ+α) ,在轧钢变形中产生了超细的
宝钢 ( X65) 管线钢材在实验室也轧出了铁素体尺寸
为 01 92μm 的样品[11] 。经过 3 年的系统研究 ,形成
了形变诱导铁素体相变 (DIF T) 理论概要 ,笔者在
2000 年韩国召开的“21 世纪高性能结构钢”会议上
Leabharlann Baidu
介绍了它的原理[12 ] 。
低碳钢的热 轧是在 奥 氏 体 相 区 进 行 , 见 图 4
(a) 。若我们将热轧的精轧温度降至接近实际的临
界点相区 (γ→α+γ的 A3 点区) ,就有可能在轧钢中 发生γ→α的相变 ,这就是形变诱导铁素体相变 。一
个体系产生相变的热力学条件是体系总的自由能
下降 ,即ΔG < 0 ,按照热力学原理 ,应有
ΔG = - V (ΔGV - ΔGE ) + SΔGS
·2 ·
钢 铁
第 40 卷
在钢材强度翻番时 ,有两个钢材冶金质量问题 应当引起注意 :一是承载应力的提高势必要求钢材 缺陷大小及形状不能引起缺口敏感 ,否则是不安全 的 ,为此高洁净 (减少夹杂物大小和数量) 是基本要 求 。二是由于钢材的偏析 (特别是中心偏析等宏观 偏析) 带来化学成分分布不均匀造成钢材性能在不 同部位不同 ,造成批量 、规格 、质量的不同 ,为此要 求钢材有高均质性 。由于篇幅限制 ,本文不就这方 面进展作介绍 ,详见其他叙述[4] 。
1 超细晶是新一代钢铁结构材料的 核心
钢铁结构材料约占钢铁材料的 90 % ,强韧化是
结构材料的基本发展方向 。钢铁材料提高强度的 途径主要有 4 条 :
(1) 通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体 组织产生固溶强化 ,它是点缺陷的强化作用 ;
(2) 通过加工变形增加位错密度造成钢材承载 时位错运动困难 (位错强化) ,它是线缺陷的强化作 用;
(1)
式中ΔG 是体系总自由能变化 ,ΔGV 是化学自
由能变化 (V 是体积) ,ΔGE 是弹性自由能变化 ,ΔGS
是新相形成表面自由能变化 , S 是表面积 。
在现代热连轧过程中 ,精轧速度很高 ,热轧过
程产生的部分残余塑性变形能不能被热释放和热
驰豫 。根据计算 ,约有 5 %～10 %的残留变形能被
目标强度/ MPa ReL 约 400 ReL 约 800 Rm 约 1500
超细晶尺寸/μm (α) 约 5 (α) 1～2 (γ) 约 5
第3期
翁宇庆 :超细晶钢理论及技术进展
·3 ·
联 ,但基本上仍是两个互为独立的领域 ,两者的热
点和发展关联不多 。“耦合”是指诸因素相互关联 、
相互作用 ,是矩阵中的相关相 。利用轧钢过程诱导
Progress of Theory and Controlled Technology of Ultraf ine Grained Steel
W EN G Yu2qing
( The Chinese Society fo r Metals , Beijing 100711 , China)
Abstract : Progress on t heories and technologies for ult rafine grained steels in Natio nal Project :“Fundamental Re2 search on New Generation Steel”has been reviewed. Interaction between deformatio n and p hase t ransformatio n , ul2 t rafine grain p heno menon caused by nano2scale p recipitates and specific heat t reat ment for ult rafine grained steels of machinery indust ry are t hree major measures. Micro st ruct ure p rediction , welding technology for ult rafine grained steels , high2cleanness technology in chemical metallurgy and ho mogeneous dist ribution of solute in solidification p rocess are key technologies for p rocessing and applicatio n. Key words : steel ; ult rafine grain ; technology
图 3 Zennre2Hollomon 参数与 奥氏体晶粒尺寸的关系[ 6]
Fig. 3 Relationship bet ween Zennre2Hollomon parameters and austenite grain size[ 6]
图 2 不同晶粒度与屈服强度的关系[ 2] Fig. 2 Relationship between grain size
第 40 卷 第 3 期 2 0 0 5 年 3 月
钢
铁
Iron and Steel
Vol. 40 , No . 3 March 2005
超细晶钢理论及技术进展
翁宇庆
(中国金属学会 , 北京 100711)
摘 要 : 叙述了由国家 973 项目 “: 新一代钢铁材料的重大基础研究”所开展的超细晶钢理论及技术进展 。形变 相变耦合 、纳米析出相引起超细晶以及机械制造用钢的超细晶热处理是 3 个主要手段 。相应的组织性能预报 、超 细晶钢的焊接及化学冶金高洁净 、凝固均质化及细化是制造和应用的关键技术 。 关键词 : 钢 ; 超细晶 ; 技术 中图分类号 : T G1421 1 文献标识码 : A 文章编号 : 04492749X(2005) 0320001208
应当对钢铁材料的“超细晶”作一个说明 。按
基金项目 : 国家重大基础研究规划 (973) ———“新一代钢铁材料重大基础研究”资助项目 ( G1998061500) 作者简介 : 翁宇庆 (19402) , 男 , 博士 , 教授级高级工程师 ; E2mail : weng @csm. org. cn ; 修订日期 : 2004211206
相变 、诱导第二相析出 ,利用新生相 (在轧钢过程中
相变而不是轧后冷却相变) 的动态相变造成超细晶
化是我们研究的关键点 。
1983 年新日铁的 Yada 博士[7 ,8 ] 在实验室模拟
轧机上将 C2Mn 钢的铁素体晶粒细化至 2～3 μm ,
并提出了动态相变的概念 。2000 年 Yada 用实验证
(3) 通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细 晶强化 ,它是面缺陷的强化作用 ;
(4) 通过第二相 (一般为 M x ( C. N) y 析出相或 弥散相) 使位错发生弓弯 (奥罗万机制) 和受阻产生 析出强化 ,它是体缺陷的强化作用 。
这 4 种强化作用中 ,细晶强化在普通结构钢中 强化效果最明显 ,也是唯一的强度与韧性同时增加 的机制 。其他 3 种强化机制表现为强度增加 ,塑性 (有时韧性) 下降 。发展超细晶钢 ,就是利用超细晶 化发展细晶强化的强韧化作用 ,其增加屈服强度的 效果见图 1 。
2 几个重要的超细晶理论进展
日本在发展超细晶钢时 ,重点是采用强力变 形 。通过多轴变形 、大变形量轧制[5] ,并配以动态 再结晶轧制[6] (图 3) 等机制运作 。我国在发展超细 晶钢时 ,除了采用强力变形和动态再结晶轧制因素 外 ,主要发展了形变和相变耦合以及研究纳米析出 相在超细晶钢中的作用二个方向 。
Ae3 after deformation( b)
众多文章多有描述 , 这些特性还在探索和争论之 中 ,笔者仅想指出几点 :
(1) DIF T 受形变参数控制 。产生 DIF T 存在 临界形变条件和临界储存能 。钢在接近γ→α相变 温度 ( A e3 ) ,以较高的应变速率 ,足够的应变量 ,进 行形变时 ,形变能部分被储存 (主要是位错密度增 加) 。系统的自由能提高 ,增加相变驱动力 。γ →α 相变温度由平衡态的 A e3 提高到形变态的 A d3 ,诱 发铁素体相变 。