细晶粒高强度钢的组织及耐磨性研究

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1、河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1钢铁材料发展概述及超级钢计划1-1-1钢铁材料的发展现状钢铁是极为重要的工程材料。随着国民经济的发展，对钢铁材料的数量和性能都提出了更高的要求，面对近年来铝和镁等金属材料、塑料和陶瓷非金属材料以及复合材料的广泛应用，也对钢铁材料提出了不断改进钢材质量、降低生产成本、增强钢铁材料的竞争能力的挑战。目前碳素结构钢、低合金高强度钢和合金结构钢是大量生产和应用的钢类，三类钢的产量占总钢产量的70%。目前，碳素结构钢的强度水平为200Mpa级，低合金高强度钢的强度水平为400Mpa级，合金结构钢的抗拉强度水平为800

2、Mpa级。为了满足未来经济和社会发展的需求，必须研究和开发出高强度和长寿命的新一代钢铁材料。如果三类钢的性能能够翻番，则仅从满足强度要求来看，钢材的用量就可以节省一半。因此，开发出高强度钢的经济效益是十分明显的。同时，通过高洁净度、高均匀性、超细晶粒的方法来达到高强度和高寿命也是新一代钢铁材料的目标。如对低碳钢，在不添加合金元素的前提下，使屈服强度翻番，这就意味着结构质量的减轻、成本降低和效益的提高。20世纪90年代以来，在国际上，包括中国等多个国家都启动了“超级钢”的研究计划。其目的在于大幅度节约资源、节约能源和保护环境的前提下研究新一代钢铁材料

3、，即在不添加或少添加的情况下大幅度的提高钢的强度和使用寿命，同时改善钢铁材料的韧性与塑性。超级钢的出[1]现将会引发一次钢铁材料的巨大革命。1-1-2各国的超级钢计划1-1-2-1中国我国与1998年启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”的“973项目”。国家财政从1998年起5年内累计投入25亿元用于该项目。该项目的最终目标是将占我国钢产量60%以上的碳素钢、1细晶粒高强度钢的组织及耐磨性研究低合金钢和合金结构钢等“三类”钢的强度和寿命提高一倍。如果采用新钢种取代三类钢种50%的传统钢材，则每年可少用1500万吨钢，其直接经济效益达450亿元，间接

4、经济效益更为显著，如可减少钢厂建设、矿山的基建投资，减少资源损耗和对生态环境的污染。“1500MPa级长寿命合金结构钢”的研究开发计划是我国“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目中的一个重要课题，即开发出抗拉强度超过1500MPa的高强度钢。1-1-2-2日本日本是对超级钢研究着手较早、成果比较显著的国家。日本国立金属材料技术研究所于1997年4月正式启动了STX-21（StructuralMaterialsXfor21Century）“超级钢材料计划”，投资1000亿日元，目标是在10年内开发出强度相当于现有钢铁材料2倍的超级钢，用于道路、桥梁、高

5、层建筑等基础设施建材的更新换代。截至2002年，该计划的第一期五年计划实施告一段落，基本达到预期目标。取得了如下开发成果：1.易回收使用的800Mpa级铁素体焊接用钢2.延时破坏和疲劳性能优良的1500Mpa级超高强度钢3.开发出新的耐侯钢和耐热钢1-1-2-3韩国韩国于1997年开始了一个名叫“HIPER—2”研究开发800Mpa级结构钢、600Mpa级耐侯钢和螺栓钢，项目定于2007年完成。中日韩三国研究开发新一代钢铁材料项目，其目的之一是通过利用各种现代化技术对传统的钢铁材料进行处理，使其获得最佳的综合使用性能，以充分挖掘钢铁材料的潜力，并使

6、机械零部[2]件向轻、小型化方向发展。§1-2超级钢的应用前景1-2-1超级钢的应用前景超级钢作为新一代的钢铁材料，可用于汽车、道路、桥梁、高层建筑等许多方面。一般来说，2河北工业大学硕士学位论文材料强度和壁厚的关系可用下式表示：t1=6S26S1（1.1）t2式中，t1、t2和σs2、σs1分别表示两种材料的厚度和屈服强度。若按强度加倍来计算：t2=0.707t1即当强度加倍时，钢材的使用量仅为原有钢材的一半，节省了材料。由此可见，若将超级钢应用于汽车制造中，可有效地减轻车体重量，减少能源消耗和环境污染。若将其应用到道路、桥梁、高层建筑等方面，不

7、仅可以减轻零件的重量，还可以延长这些基础设施更新换代的时间，有效节约能源。截止到2002年11月，宝钢累计生产400Mpa级超级钢5800t，该产品分别被一汽、东风等汽车制造厂应用到冲压卡车底盘横梁、纵梁等数十种零件上，并获得极大的成功。综上所述，超级钢不仅具有优异的性能，同时还符合节能和环保的要求。因此，可以断定，[3][4]在不久的将来，超级钢必将得到广泛的应用。§1-3钢铁材料的强韧化机制1-3-1钢铁材料强化的方法钢铁材料的强化可以通过两个基本途径来实现：一是制成无缺陷的完整晶体，使材料的强度接近理论强度(例如晶须)；二是在有缺陷的晶体中设

8、法阻止位错运动。由于晶须的强度极不稳定，当有一定数量位错存在时，强度就急剧下降，故多采用第二种强化途径，即通过在晶体中引入