超细晶粒钢简介

超细晶粒钢简介

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摘要：介绍了国内外超细晶粒钢的发展情况；阐述了晶粒细化对钢铁材料综合性能的影响，从微合金化、形变诱导相变、热处理和新型机械控制轧制技术等方面介绍了获得细化晶粒钢的关键技术，最后从实际应用角度出发，提出了超细晶粒钢生产及应用中存在的问题。

关键词：超细晶粒钢；铁素体；微合金化；形变诱导相变

The brief introduction of Ultra-Fine grain steel

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Abstract: Firstly the development of ultrafine grain steel is described, secondly the influence of grain refining on comprehensive performance of steel material is expatiated, and the key technique of manufacturing ultrafine grain steel is introduced. It includes micro alloying , deformation- induced ferrite transformation, severe plastic deformation, TMCP technique, and so on, at last, the problem in the production and application of ultrafine grain steel is introduced.

Key words: ultra-fine grain steel; ferrite; Micro alloying ; deformation- induced ferrite transformation

1 国内外超细晶钢的发展

在日本科技厅的支持下，1997 年，日本开始了为期10 年的“新世纪结构材料( 或超级钢铁材料) ”的国家级研究计划，研发内容包括低合金钢、合金结构钢、耐候钢和耐热钢。目前，日本已经开发出晶粒尺寸为1 μm 的650 MPa 超高强度热轧钢板。1998 年，韩国也开始了历时10 年的“21 世纪结构钢的研究计划”，主要研发800 MPa级结构钢、600 MPa 级耐候钢和1 500 MPa 级螺栓钢。2001 年，欧盟启动了“超细晶钢开发”计划。2002 年，美国在钢铁研究指南中公布了2 个超细晶钢开发项目[1-4]。世界钢铁材料界在新一代钢铁材料开发领域理论研究层面提出了“形变诱导相变”、“形变强化相变”、“形变诱导动态相变”等观点; 在技术层面提出“洁净化、均质化、细晶化”的思路; 在工艺方面提出了“低温、控轧和快冷”的措施。

在日本、韩国启动超级钢项目的同时，中国就启动了“新一代微合金高强高韧钢的基础研究”的国家攀登项目( 1997－2000年) 。1998年，确立了由政府投资25亿的超级钢开发项目( 973)，计划将占我国钢产量60% 以上的碳素钢、低合金钢和合金结构钢的强度和寿命提高1倍。在国家“973”项目的支持下，宝钢、鞍钢、武钢、首钢、攀钢等多家钢铁企业开展了利用现有工艺流程制备超细晶钢的研究。2002 年6 月，攀钢用Q235 为试验钢，成功进行了第一轮工业试生产，利用形变诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶原理，轧制出晶粒尺寸为5 ～ 6 μm、规格3.0 mm×1000 mm的细晶钢。武钢在超细晶钢的研究上也取得了重大进展，目前已冶炼、轧制出了超细耐候钢和800MPa 超细晶钢，并利用Q235 钢进行了一轮工业

性轧制试验，成功生产出抗拉强度为510～535MPa 和屈服强度为390～410 MPa 的超细晶钢。2002年，鞍钢在1780 mm轧机上已能稳定生产厚度小于10 mm 的400 MPa 级超细晶粒热轧钢板，并开展了更厚规格的卷板和中板的研究[5,6]。

2 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；

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Mx ( C. N)，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。

图1 各种强化机制的强化效果示意图

S.Takaki[7]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 Lm时，普通钢材的屈服强度R eL是200 MPa级，若细化在5 μm以下，R eL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2 μm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[8]。

表1 不同钢类确保强度翻番的超细晶化尺寸范围[ 8]

细晶强化的作用：

A、材料的屈服强度和硬度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比，即随着材料晶粒尺寸减小，材料的屈服强度及硬度不断提高[9,26,27]。

图2 晶粒尺寸与屈服强度和硬度的关系

细晶强化机理主要是: 晶粒越细，单位体积内的晶粒界面越多，由于晶界之间原子排列比晶粒内部的排列更加紊乱，因而位错密度较高，致使晶界对正常晶格的滑移位错产生缠结，不易穿过晶界继续滑移，变形抗力增大，表现为强度提高[8]。

B、晶粒的尺寸越小，材料的塑形和韧性就越好（图3）。

图3 晶粒尺寸与断面收缩率的关系

晶粒越细小，晶粒内部的空位数目和位错均减少，位错与空位以及位错间的弹性交互作用的几率下降，位错易于运动，表现出较好的塑性；位错数目减少，塞积位错数目下降，只能产生轻度的应力场，从而将推迟微孔和微裂纹的萌发，致使断裂应变增加。除此之外，细晶粒能使塑性变形更加均匀，呈现出较高的塑性变形[8]。

3 制备超细晶粒钢的关键技术

3.1 微合金化细化晶粒

一般的晶粒细化方法是在炼钢过程中向钢液添加微合金元素( Nb、V、Ti、B、N 等) 进行变质处理，以提供大量的弥散质点促进非均质形核，从而使钢液凝固后获得更多的细晶粒。这种微合金化( 合金的总质量分数小于0.1%) 是比较有效的细化钢铁材料晶粒的方法之一。图4为微合金元素( Nb、V、Ti) 对铁素体晶粒尺寸的影响。