日本的超级钢材料计划

日本的超级钢材料计划

陈 鼎,黎文献

(中南工业大学材料系,湖南长沙 410083)

摘 要:较为详细地介绍了日本材料学科最新的国家级研究课题,面向21世纪的超级钢材料计划的缘起、研究机构和研究内容和最新的研究进展情况,并指出对我国相关学科研究的借鉴意义。

关键词:新材料;超级钢;研究构架

中图分类号:TG142 文献标识码:A 文章编号:1002-4336(2000)01-0046-03

1 概 述

材料是现代文明的支柱之一。随着现代工业的发展,对材料性能的要求也越来越高。现代材料研究有两大的趋势: 不断开发新技术、新工艺、新设备,以研制各种具有特殊要求或优异性能的新材料; 对现有传统材料如钢铁、铝、铜采用特殊的加工工艺,以大幅度提高其性能,有效地提高资源的利用率和回收率。提高性能,降低成本,减小对环境的损害,已经成为本世纪末和下世纪初材料研究的一大热点。

2 计划的缘起和研究机构

超级钢材料计划又称STX-21(Structural M a-terials X for21St century)即面向21世纪的结构材料计划。它是日本政府确立的由科学技术厅金属材料技术研究所从1997年4月开始研究的一个国家级课题。其目标是将现有钢材在成分基本不变的前提下实用强度和结构寿命提高到现有性能和寿命的2倍,并在2015年前实现实用化。

日本政府和科学界为该项计划投入了大量的科研力量。首先,在金属材料技术研究所设立了 新领域结构材料研究中心 ,有135名科研人员。其中合同制职员和研究人员80人,从民间特聘了20名 结构材料特别研究人员 ,还有来自各个大学的客座研究员35人。研究人员的管理有定期和不定期两种方式,具有较大灵活性,从而能很好的适应这类创新工作的管理;其次,特别设立了3个专门的研究组织: 研究原材料如何搭配的 材料创制研究所 ,其任务主要是通过极纯熔炼,快速凝固,高能量加工等方法进行 材料研究 ; 研究如何使已搭配好的组织不受损伤而能顺利连接起来的工艺的 结构体系系统化研究所 ,主要采用智能焊接、新结合工艺、长寿命覆膜等方法; 评估原材料及其结构体各种特性的 评估研究所 ,任务是对材料进行长期强度数据、长期强度机理、长期预测法的评估。从而使从原料到最终产品的各个生产环节都能达到高品质和高性能化,加强了各个专业领域的相互合作。

为了使各个研究课题能扎实的齐头并进,并使各个领域间的科研信息交流可以畅通无阻,日本政府从3个研究所中选拔优秀人员组成了研究推进小组,负责指导各研究所的科研活动及收集科研信息。此外,为了使研制出的材料能满足社会需求,并能及时掌握材料的实用情况,设立了包含产学官人员的外部委员会,并采取了对外公开的研究运行体制。整个计划采用:材料研制 结构体化 评估 材料研制 的螺旋式研究方式,以便尽可能的发挥这种研究机构的整体优势。

3 计划的研究课题及其最新进展

钢材是一种极为重要的传统结构材料。据统计它大约占金属、塑料、水泥,木材等重要消耗材料的40%,所以在国民经济各行各业中的重要性是不言而喻的。为了适应21世纪社会结构变化和持续发展的需要,超级钢材料要满足以下条件:一方面确保更高的强度、高安全性、长的使用寿命;另一方面制

第18卷第1期2000年2月

中 国 锰 业

CH INA S M ANGANESE INDUSTRY

Vo1.18 1

February2000

收稿日期:1999-11-02

作者简介:陈鼎(1975-),男,江苏粟阳人,中南工业大学材料系硕士研究生。

造工艺要低成本、低能耗,以节省资源,还要大大降低对环境的危害。根据这些要求经过日本国内各领域的众多专家讨论和项目评估,决定把结构材料的高强度化和长寿命化作为两大研究课题,而每个课题又有两大研究方向,所以共4大科研项目。

3.1 通过控制组织的方法使结构材料高强度化

(1)研制易再利用的800MPa级铁素体焊接用钢。

现有的广泛应用在日本建筑行业的钢材(约占日本钢材消耗量的40%)中最大的抗拉强度为500 M Pa,但因为这类钢材是添加了合金元素的马氏体和贝氏体钢,难于焊接,且接口处疲劳强度也难以提高,还含有不易回收的贵重金属合金元素。因此对于钢材的有效利用和回收带来困难。据专家估计到2010年日本此类建筑用钢材的废钢料将占日本都市废料的30%以上(约为1500万t以上)。所以该项研究对于减少环境污染将具有很大的意义。

本研究的目标是在现有的400M Pa级容易焊接和回收再利用的普通钢的成分中不添加合金元素,只通过晶粒超微细化使强度加倍(800M Pa)从而制造出以铁素体相为主要组织的易焊接钢。同时开发不破坏微细化组织的焊接工艺技术,既省资源,又能使钢具有安全的组织结构。主要采用特殊工艺来控制组织,以获得超微细的晶粒组织,直径由原来的10 m级减小到1 m级,同时通过氧化物的微细分散,以实现以铁素体相为主的,微细氧化物弥散分布的组织,从而达到研究的最终目标。因为此类钢具有易回收、高强度、好焊接的优点,不仅可有效节约资源,还能大大削减二氧化碳的发生量。也使得由此类钢材建成的房屋更加安全可靠。

该项研究经过两年多的努力,已取得一定的进展。主要成果有以下几个方面: 以微小样品制成平均粒径2 m的微细铁素体 贝氏体组织获得成功。成分为Fe-0 17C-0 3Si-1 5Mn的普通钢在奥氏体低温域施以大的形变,并以每秒10K 的冷却速度冷却而制成的,材料的强度约为700~ 750MPa。此结果表明通过晶粒微细化来提高强度是可行的; 通过孔型轧辊对机械合金化的纯铁粉进行温轧,得到了微细氧化物弥散分布和铁素体晶粒细小的组织。如含0 2%氧的纯铁粉在700 下轧制,当铁素体平均直径约0 5 m时(加微细弥散氧化物)可以得到拉伸强度850M Pa,延伸率为7%的优异的综合性能。此外还研究出采用过冷凝固的方法可以使钢中分散析出高密度的微细氧化物,分散密度可达8万个/mm2,并可以有效促进晶内铁素体形成,同时抑制奥氏体的长大。

(2)研制延时破坏和疲劳破坏性能优良的为1500M Pa级超高强度钢。

钢的理想使用强度是10000~20000MPa。而现有的钢材中强度最高的是低碳马氏体钢绳,一般用作超大建筑和桥梁的结构材料。它是通过马氏体时效析出而进行强韧化的(2500~4000M Pa),但这只是钢的理想使用强度的1/4~1/5,而且强度一旦超过1000M Pa,延时破坏会明显化,疲劳强度不仅不增加,还会降低,故限制了实用强度。延时破坏的原因是在晶粒边界处聚集了外界侵入的氢造成的,在晶界上的碳化物为其断裂起点。所以必须防止和减少氢的侵入,抑制晶界碳化物的形成,或分散晶界上的碳化物粒子以防止延时破坏的发生。疲劳破坏是由很小的力通过106次或107次周期疲劳引起的,1200M Pa以上的高强度钢的疲劳破坏,主要是存在夹杂异物引起的材料内部破坏,所以即使钢的强度提高,其疲劳强度也不会上升。因此要采取把夹杂物弄细或柔软化的方法以提高其疲劳强度。该研究就是致力于开发耐延时破坏或疲劳破坏的1500M Pa级的超高强度钢。它将在大型建筑和桥梁建设发挥巨大的作用,对军事工业也有重要应用前景。

经过两年的工作,在该项目的研究工作中已开发了一种晶界观察技术,即原子探针显微镜(AP-FIM),超细小硬度试验机和原子间力显微镜(FIM)技术,且开发了能在纳米、原子级水平解析组织和破坏试样的技术,并建立了一种延时破坏评价方法 氢裂纹敏感性评价法。此外对钢材的微细结构中的氢聚集位置和通过热处理的方法以减少晶界碳化物的析出等问题进行了研究。

3.2 通过结构材料的长寿命化以节省能源和资源

(1)研制超临界压力发电条件下的长期使用的超级耐热钢。

本研究方向所研究的的超级耐热钢是指在923 K,33 5M Pa条件下能长期使用的钢铁材料,此类材料是用作火力发电厂中在高温高压下使用的涡轮或锅炉。一旦成功,将使现有的条件(811K,24 9 M Pa)下的发电效率从39 8%提高到43%,既节约了煤炭消耗,又能大幅度减少二氧化碳的排放量。火力发电占到全日本总发电量的60%,所以这项研

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