钢铁结构材料的组织细化

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1、钢铁结构材料的组织细化　中国金属学会翁宇庆　　摘要采用组织超细化提高钢铁结构材料的强韧性和使用寿命是上个世纪90年代中期以来的发展趋势。介绍了我国973第一批项目之一“新一代钢铁材料重大基础研究”的主要5种超细化方法，适用于不同强度和显微组织的钢类：具有铁素体+珠光体(F+P)的碳素或低合金钢，采用强力轧制和形变诱导铁素体相变(DIFT)技术；在薄板坯连铸连轧现代流程下，采用第二相(析出相)的纳米化控制；具有低碳贝氏体或针状铁素体的微合金钢采用形变诱导析出(DIP)和中温相变控制；采用调质处理的合金结构钢，应用新的合金设计思路以提高界面温度，增加氢陷阱和二

2、次硬化路线，快速超细晶热处理的综合技术；发展无碳化物贝／马组织和富碳残奥薄膜以做到中低温回火合结钢的强韧化优良配合。　关键词显微组织组织细化超细晶结构钢　2002年，中国钢铁产量达到1.8亿t，表观消费量达到2.1亿t，遥居世界首位，也是世界历史上钢铁材料生产和消费的第一大国最高历史纪录。这是中国经济及市场高需求的反映，说明钢铁材料对经济发展和社会需求的重要性。在钢铁材料中，90％～95％属于结构材料，在需求增长的同时，钢铁结构材料正在发展“新一代钢铁材料”，它的特征是超细晶、高洁净、高均匀，其中核心技术是超细晶，通过将当前工业细晶粒尺寸(一般为20μm左

3、右)细化一个数量级，按照Hall-Perch的σs=σo+Kd-1/2关系式关系式，钢铁材料的强度可提高一倍，同时保持良好的塑性和韧性配合。本文就国家第一批"973"项目之一“新一代钢铁材料的重大基础研究”所研发的超细晶形成和控制的主要五条技术路线作一概略性的介绍。1．碳素和低合金结构钢的组织细化　这类钢占钢铁结构材料的85％以上，其中以热轧为钢厂供应态，也是用户使用态的占到70％以上，组织细化的重要性和经济性反映最为突出，也是“973"工作的重点。目前已形成一条完整的工艺流程，即：　洁净化冶炼－充分等轴晶化凝固－强力和低温初轧－“形变诱导铁素体相变”精轧

4、一冷却控制。　这条路线是我国钢铁科技工作者近几年的创新集成。洁净化冶炼以使材料强度提高以后，使由于钢中夹杂物带来的脆化敏感性得以避免，保证使用(特别是低温使用)的安全性。如果发展并采用了提高等轴晶率的凝固技术后，由于顺序凝固形成的柱状晶得以消除或减弱，材料的宏观偏析，特别是中心偏析可以明显减少；材料的成分分布均匀性得以提高，这就保证了高质量、均匀力学性能铸坯的形成。在有了洁净化和高均匀性(成分及性能)基础上，就可以采用强力和低温开坯可能性，在初轧阶段应用奥氏体的再结晶细化基础上，精轧阶段采用关键的“形变诱导铁素体相变”(DeformationInduced

5、FerriteTransformation，DIFT)技术，而凝固的充分等轴晶化技术和初轧充分应用再结晶细化为DIFT的应用创造了前提条件。　80年代中期，Yada[1]等人在试验室研究C-Mn钢的晶粒细化工作时提出了“应变诱导相变”(StrainInducedTransformation，SIT)概念，90年代中期P．D．Hodgson等人[2]利用单机架轧机使热轧钢带表面做到超细晶(最细约0.5～lμm)，提出了“应变诱导相变轧制”(Strain-inducedtransformationrolling，SITR)过程。从事新一代钢铁材料(简称N．G．

6、Steel)研究的我国科技工作者，对这一过程的热力学、动力学、晶体学、微观组织形貌特征及力学性能表现等进行了系统研究，认为这一现象(诱导相变)不仅与应变有关，而且钢的化学态势(化学成分及化学位)；凝固后轧制之前的固态相分布状况；轧制时的应力、应变、应变速率、轧制机架间的道次冷却和停留时间；轧后的控冷(包含卷取等工艺)都与这个过程有关，是一个多变量多因素的耦合过程。因此从“应变诱导相变”深化为“形变诱导相变”的全过程概念，并在2000年韩国召开的"21世纪高性能结构材料”(HIPER—21)会议上正式提出“形变诱导铁素体相变”[3](DeformationI

7、nducedFerriteTransformation，DIFT)。本文仅就其热力学原因及特点加以简单介绍，余详见《超细晶钢》一书[4]。　DIFT不同于传统控轧控冷(TMCP)之处，是它的相变(低碳钢中γ－α＋P)主要发生在轧钢过程中而不是轧后冷却过程中。　　通常，多数钢铁结构材料热轧是在单一奥氏体相区轧制，见图1(a)。研究和生产都关注有关轧制温度、应力一应变和产品的质量控制(板形，尺寸，精度)等参数，一般不关注或不追求产生相变的条件，TMCP关注轧制是因为它为以后冷却时γ－α＋P的形核及相转变以及分布创造了条件。从热力学分析表明，由于轧制产生的变形能

8、不可能在轧后由热驰豫、弹塑性恢复等完全释放，特别在现代高速轧制条件