高性能钢的M3组织调控理论与技术

高性能钢的M3组织调控理论与技术高性能钢的M3组织调控理论与技术董瀚，王毛球，翁宇庆钢铁研究总院，北京100081摘要：本文介绍国家重点基础研究发展计划（973计划）—“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”项目的研究目标和内容。该项目以提高钢的服役安全性为目标，研究提高钢的性能之组织调控理论和技术。研究内容包括了温度和应力作用下的亚稳奥氏体相变机理、相变过程中碳扩散、相变组织多尺度特征、相变组织在温度—应力—腐蚀作用下的稳定性、以及获得高洁净度和高均匀度钢坯的化学冶金学和凝固技术基础。建立以“多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（Multi-scale）”（简称M3）为特征的组织调控理论，形成以第三代低合金钢、第三代汽车用钢和第三代马氏体耐热钢为代表的高性能原型钢技术，为大幅度提高建筑设施、汽车、能源装备的服役安全性奠定钢铁材料技术基础。关键词:高性能钢，组织调控，理论与技术OnthePerformanceImprovementofSteelsthroughM3StructureControlDONGHan,WANGMaoqiu,WENGYuqing(NationalEngineeringResearchCenterofAdvancedSteelTechnology,CentralIron&SteelResearchInstitute,Beijing100081)Abstract:ThispaperintroducesanewresearchprojectgrantedbynationalbasicresearchprogramofChina(973program),whichisthethirdphaseforNewGenerationSteelresearch.Theprojectaimstosystematicallyinvestigatethemicrostructureevolutionphenomenainsteelsandtoformthenewmicrostructurecontroltechnologiesforhighperformances,bywhichthesafetyofsteelsinservicecouldbeeventuallyimprovedremarkably.Theissuessuchassteelmetallurgyforultracleanandultrahomogeneousmicrostructures,phasetransformationmechanismsofmeta-stableaustenitesubjecttotemperatureandloadchanges,carbondiffusionduringtransformation,multi-scalecharacterizationoftransformedmicrostructures,andmicrostructurestabilityinthecircumstancesoftemperature,loadandcorrosioninservice.ItisexpectedtodevelopthetheoryofmicrostructurecontrolfeaturedbyMulti-phase,Meta-stableandMulti-scale(M3).Itisalsotoformtheprototypetechnologiesformanufacturinghighperformancesteelssuchasthethirdgenerationhighstrengthlowalloysteel,thethirdgenerationautomotivesheetsteel,andthethirdgenerationheatresistantmartensiticsteels.Itwillprovidethefundamentalsforimprovingsafetyofsteelsinserviceforinfrastructures,automobilesandfossilpowerstation.Keywords:highperformancesteels,microstructurecontrol,theoryandtechnology1前言钢铁材料是生产数量大（全世界年产13亿吨左右）、性能调控幅度大（强度100MPa～5000MPa、使用温度-198～+650℃、耐大气腐蚀～耐酸碱盐腐蚀）、应用领域广（人民生活、建筑设施、交通运输、能源生产、海洋开发、武器装备、环境保护、资源开发等）、性能价格比高（单价与矿泉水相当）、回收利用好（采用废钢为原料可生产高质量钢材）的重要基础材料，是现代、当代、未来社会和经济发展的必需材料，是伴随着需求变化而不断发展的新材料。世界主要发达国家和发展中国家均十分重视钢铁行业的发展，重视钢铁工艺技术和材料的研发与应用。国际钢铁协会的AutoSteel、LivingSteel、ClimateAction等项目研究汽车用钢、房屋用钢、气候变化等热点问题、欧洲钢铁联盟宣言表示加强促进钢铁生产减排和有效使用钢材、日本的COURSE50项目研究降低环境负担的钢铁生产技术、北美的Auto/SteelPartnership开发汽车用高强度钢、欧盟的THERMIE项目开展了高效率能源生产用耐热钢研发。我国是世界第一产钢国和消费国，自然十分重视钢铁行业的技术发展。科技部在“十一五”期间的科技支撑计划中立项支持了重大项目“新一代可循环钢铁流程工艺技术”和重点项目“高品质特殊钢技术开发”，科技部在973项目还持续10年支持了“新一代钢铁材料”的基础研究，各钢铁企业也投入力量进行技改和技术研发。人们的研发工作促进了各类钢的洁净钢生产平台的形成[1]。这些研发活动有力地促进了中国从钢铁大国向钢铁强国的转变。今天，我国钢铁工业的发展面临着与工业化国家钢铁工业发展过程所不同的形势：城镇化需要更多的长寿命高强度钢材应用于建筑设施；工业化需要高性能特殊钢材应用于装备制造；能源工业需要耐温、力、蚀的钢材应用于能源设施；国防军工需要高性能特殊钢材应用于武器装备；应对气候变化需要钢铁生产流程的节能减排，需要应用长寿命、高效率、高性能钢材等；新兴产业需要更高性能的钢铁材料。现在，影响我国钢铁流程工艺和材料发展的驱动力的主要因素可以归纳为：城镇化、工业化、应对气候变化、国家安全、新型产业发展等。“十二五”期间，我国钢铁产业技术发展将以《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》为指导，结合我国钢铁产业调整和振兴规划的实施，以我国钢铁行业流程工艺技术（已经建设了世界先进的钢铁生产流程和装备）、材料技术（已有的和形成的材料科学研究成果促进技术发展）、人数庞大的研发队伍为基础，做到自主创新和重点跨越，开发出产品附加值高、资源能源消耗少、环境负荷低的钢铁材料及制备共性关键技术，促进我国钢铁振兴和结构调整，为我国国民经济和国防建设提供支撑，促进社会和经济协调发展。在钢材生产工艺和品种技术的创新性开发中，钢铁学科的技术研究愈发显现其重要性。近10多年来，各国政府致力与支持钢铁行业开展基础研究工作，以期促进钢材生产和应用新技术的产生，如：日本1997年开始的“超级钢”计划[2]和“超级金属”计划，韩国1998年开始的“HIPERS”计划[3]，我国1997年的攀登预选项目—“高强高韧微合金钢”和1998年开始的国家重点基础研究发展计划（“973计划”）—“新一代钢铁材料”[4-5]。欧盟也开展的超细晶粒钢的可行性研究。美国NSF支持了8家大学联合开展了第三代汽车用钢（低成本高强塑积）的研究工作（2008-2010年）。我国钢铁行业的“973计划”项目经历一期（1998-2003年）和二期（2004-2009年）工作，取得了显著理论进展和技术进步，同时培养了一大批钢铁行业的技术骨干。值得提出的理论研究或技术开发方面的显著进展有：形变诱导相变理论的系统化研究与晶粒细化技术和碳化物球化技术[6-7]、钢的耐候腐蚀机理与技术、延迟断裂理论与耐延迟断裂技术（GST）、疲劳破坏理论与抗疲劳破坏技术（IST）、不锈钢的氮合金化理论与低成本生产技术等。基础研究促进了“量大面广”碳结钢和微合金钢的强度翻番技术和合结钢长寿命技术的形成。2009年，国家科技部批准实施我国钢铁行业重点基础研究规划项目（973项目）“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”（简称“973钢铁材料三期项目”）。973钢铁材料三期项目在一期项目和二期项目的工作基础上，开展旨在提高钢材服役安全性的组织调控理论和技术方面的基础研究。预期973钢铁材料三期项目研究工作将会促进一系列高性能钢技术的产生，本文将介绍项目的背景和重点研究方向。2社会和经济发展需要高性能钢钢铁材料是社会和经济发展的基础原材料。随着我国经济的持续高速发展，我国钢铁工业也快速增长，图1。2008年我国粗钢产量达到了5亿吨，占全世界粗钢产量的37.6%。如此大量的钢铁材料生产消耗了大量矿产资源、能源、水资源，排放出气体（气候变化）和固体废弃物，带来交通运输紧张。通过钢铁材料的高性能化可以直接减少钢材消耗量（如：建筑用II级钢筋改用III级钢筋的高强度化可以减少钢材消耗15%左右、汽车采用高强度钢之后可以减轻重量），从而减缓由于钢材大量生产所导致的负面效果；高性能化还可以提高钢制构件和装备的工作效率和寿命（如：高性能耐热钢提高火电机组发电效率、应用高强度钢的汽车减重可以提高燃油经济性、耐腐蚀钢的应用可以提高构件的使用寿命等），从而提高能源使用效率，节约材料。因此，高性能化是我国钢铁材料发展的必由之路。我国生产的钢材满足普通要求的居多，而高性能要求的钢材生产能力较弱，部分需要从国外进口解决。我国每年仍然需要进口相当数量的高端钢材以满足建设需求，如2008年我国进口钢材达1538万吨（同年出口钢材5918万吨）。造成这种现象的主要原因是我国钢铁材料技术的自主创新能力依然不强。2009年初国务院常务会议讨论通过的《钢铁产业调整和振兴规划》和2005年颁布实施的《钢铁产业发展政策》都提出了促进钢铁产品结构调整的任务。我们需要持续不断地开展深入的基础研究工作，提高自主创新能力，促进高档钢材产品生产满足国内需求，调整中低档钢材产品的结构适应经济发展。现在，钢材的高性能化要求表现各个应用领域。大跨度和高层建筑设施要求钢材具有高强度和低屈强比以发挥建筑效能和抗地震破坏，要求钢材具备耐腐蚀性能以提高服役寿命，要求钢材具有耐火性能以提高防火安全性；汽车的燃油经济性和碰撞安全性要求钢材同时具备高强度和高塑性，需要钢材具有耐腐蚀性能以提高其寿命，提高加工过程中钢材的工艺性能以提高零部件质量和生产效率；高效率火电机组要求钢材具备更高的高温持久强度以提高发电效率，核电的核岛设施要求钢材具有更高的耐腐蚀和抗辐照性能以提高其服役安全性；高速和重载铁路要求钢轨和转向架用钢材具有更高的抗疲劳性能，以提高其服役安全性。为了提高各种设施和装备的服役性能，应用领域对钢铁材料提出了高强度、高韧性、高塑性、低屈强比、高持久断裂强度等高性能要求。3钢铁材料学科依然存在尚待解决问题钢材的性能与组织密切相关。钢铁材料的组织表征和有效控制逐渐从微米尺度深入到纳米尺度（组织Nano化）。钢铁材料的性能改善由106单位逐渐提高到109单位（性能Giga化），如：低合金钢热轧板和汽车用薄板钢的强度开始由MPa级提高到GPa级，超高强度钢的疲劳强度由MPa级提高到GPa级，疲劳周次由Mega周次级提高到Giga周次级，高温持久时间（寿命）由Mega秒级提高到了Giga秒级。“性能Giga化”与“组织控制的Nano化”相连，与“多相组织（Multi-phase）、亚稳组织（Meta-stable）、多尺度组织（Multi-scale）”的认知和控制密切相关。钢铁材料学科依然存在一些领域，其中的现象、规律和理论