微晶材料(超级钢)

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三、超级钢的应用
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我国的钢铁产量
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
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10124 10894 11559 12426 12850 15163 18237 22234 28291 35310 42266 48966 54026 56784 62500
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超级钢在汽车制造业中的应用
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200～300 元。目前已经实现千吨级批量供货。
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。。
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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。
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。
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有识之士的大声疾呼
Fra Baidu bibliotek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Q195～Q235,在不添加合金元素的前提下,把 屈服强度从200MPa级提高到400～500MPa级,它意味着减轻结 构质量、降低成本和提高效益。
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二、超级钢的制备方法
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晶粒细化
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: σs=σ0+k·d-0.5 d为晶粒的平均直径,σ0为其它强化方式作用项; k 为钢种常数。
第三章 微晶合金材料 ——（超级钢）
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主要内容
一、超级钢的基本概念 二、超级钢的制备方法 三、超级钢的工业应用 四、超级钢的服役问题
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一、超级钢的基本概念
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钢铁是夕阳产业吗？
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 , 哀的观点甚嚣尘上： 一个悲
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四、超级钢应用 的关键问题
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超晶粒钢的焊接问题
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。
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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。
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中温转变组织: -800MPa超细组织钢
Relaxation Precipitation Controlling
超细化思路
胞状亚结构的限制作用 微合金析出物的钉扎作用 针状铁素体的分割作用
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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
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大尺寸工件的组织与性能 均匀性问题
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。
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。
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本章小结
1)普碳钢品种的升级换代已经提到日程,以洁 净钢细晶化为主要特征的超级钢将成为今后替代 普通碳素钢和部分微合金钢的主导品种。 2)在理论和实验研究基础上提出的生产超级钢 的工艺原则,依据这些原则用Q235成分生产出的 400～500MPa级超级钢,应用于汽车行业,取得良好 效果。 3)厚规格板带钢和大尺寸棒材超级钢的生产, 以及超级钢的焊接和屈强比控制等问题,还需要进 一步深入研究。
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超级钢在建筑行业中的应用
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Ⅱ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, 500MPa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Ⅲ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Ⅱ级钢筋15%以上。
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晶粒细化-400MPa碳素钢
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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。
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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 1～2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。

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
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400MPa超级钢
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3.5μm、性能优异的超级钢(表2)。
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过去我国生产Ⅲ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Ⅲ级钢筋的 广阔应用前景将变为巨大的市场商机。
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超级钢在其它行业中的应用
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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。
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日本STX-21超级钢铁材料研究
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中国“新一代钢铁材料”研究
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。
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超级钢屈强比控制问题
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。
588 770 665 867 424 2313 3074 3997 6057 7019 6956 6700 5160 2758 5716
6.2% 7.6% 6.1% 7.5% 3.4% 18.0% 20.3% 21.9% 27.2% 24.8% 19.7% 15.9%
而美国1945年8200万吨，1997年9700万吨
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超级钢的国际竞争如火如荼
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。
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新华社东京2000年１月５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５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１微米，为一般钢铁的１／１０～１／２０。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。
图3 用超级钢制 作的卡车横梁
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500MPa级超级钢用于卡车纵梁(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。
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相变强化
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。
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超级钢生产的工艺原则