高性能钢的组织调控理论与技术基础研究

项目名称：高性能钢的组织调控理论与技术基础研究首席科学家：董瀚钢铁研究总院起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国钢研科技集团公司一、研究内容针对“亚稳奥氏体相变与多相组织形成的现象、理论与控制”、“多相组织的多尺度表征、稳定性与性能控制机理”及“高性能钢夹杂物、析出相和多相组织基体组织相互关联与控制技术”等关键科学问题，选取建筑设施、汽车、能源用钢中的高端产品作为本项目的研究对象。根据钢材的服役性能的不同要求，研究高性能钢的组织调控理论和方法。对建筑设施用钢，通过从铁素体/珠光体向非平衡贝氏体/马氏体的多相组织的调控，在提高强度同时，改善屈强比、焊接性能、耐火性能等；对汽车用钢，通过控制亚稳奥氏体相变和多相组织得形成，实现高强度化、超高强度化和高塑性化，从而保证汽车轻量化和提高碰撞安全性；对能源用钢，控制马氏体耐热钢高温服役时的组织演变，提高组织稳定性。为获得期望组织和性能，需要研究亚稳奥氏体相变规律及多相组织的多尺度表征，同时还要研究冶炼和凝固过程中三类钢的钢液－夹杂物间相互作用和反应平衡程度，凝固均质化的等轴晶和柱状晶控制，获得高洁净度和高均匀度组织。各研究方向的具体研究内容如下：1.第三代低合金钢的组织调控和高性能化研究（1）研究亚稳奥氏体相变规律及多相组织的形成，包括钢的成分、加工处理制度对各相的体积分数、分布状态和内部缺陷形态的影响。（2）研究多相组织的表征以及多相组织在范性流变过程中的变化，变形在不同相中的传递行为，晶体缺陷在范性变形中的行为与作用。（3）多相组织在热扰动下的演化行为及其在力学性能上的表现，各相的热稳定性及其在组织演变过程中的相互作用以及焊接区组织稳定性。2.第三代汽车用钢的组织调控和提高塑性的研究（1）研究亚稳奥氏体的相变规律及多相组织的形成，包括应力与相变的交互作用以及碳的行为等。（2）研究多相组织的多尺度表征及控制方法，包括通过Q&P工艺实现亚稳奥氏体的含量、形态、分布、稳定性等控制。（3）研究亚稳奥氏体的稳定性，包括热稳定性、力学稳定性，以及相变诱发塑性与孪晶诱发塑性等。（4）研究高强度马氏体钢连接技术及其服役行为，包括焊接性能和延迟断裂行为等。（5）研究高性能汽车用钢新型制备方法过程中凝固组织、晶粒尺寸和元素配分的影响规律。3.第三代耐热钢高温环境下长期服役时组织演变规律研究（1）多元素复合强化马氏体锅炉钢长期服役条件下回火马氏体组织精细结构演变及退化研究。（2）借助热力学软件，研究化学成分、工艺参数（如温度）等多因素关联影响条件下，各析出相的可能的演变过程。研究M23C6、M6C、MX、Laves相、硼化物、Z相等演变（形成和长大）的热力学和动力学规律，尤其是MX超细弥散相的稳定性和均匀性以及Z相的形成机理和控制机制。（3）高温蒸汽和煤烟气腐蚀环境下，材料的界面行为规律及其控制机制。（4）无碳马氏体锅炉钢的组织与力学行为研究。研究静态和热变形条件下无碳马氏体锅炉钢连续冷却转变中的相变行为，分析不同热变形条件下钢中氮化物析出相。4.高洁净钢的夹杂物稳定性控制及均匀度控制的基础研究（1）研究高性能建筑用钢、汽车用钢、能源用钢韧塑性与夹杂物、均匀度之间的相关性以及基于服役性能要求的夹杂物控制目标。（2）研究炉渣－钢液和钢液－夹杂物间反应的平衡程度及其影响因素，以及钢液中微小夹杂物间聚合、长大、去除及其影响因素。（3）研究凝固过程中等轴晶的起源及增殖机理，第二相粒子的形成及细小弥散化，以及机械振动对柱状晶破碎的作用规律。（4）研究凝固过程传热的控制及其对形成等轴晶组织的作用，以及大型铸坯及铸锭凝固过程均匀化技术的工程化应用。二、预期目标3.1总体目标1)在亚稳奥氏体相变现象和规律研究基础上，建立“多相、亚稳、多尺度”组织的形成理论与调控技术，奠定大幅度提高建筑设施、汽车和能源用钢等量大面广的钢铁材料性能的技术基础。2)在“新一代钢铁材料重大基础研究”和“提高钢铁质量和寿命的冶金学基础研究”两个973项目实现了钢铁材料强度与使用寿命双翻番后，本项目将针对建筑设施、汽车和能源用钢的高强度和高安全性需求，以大幅度提高塑韧性为主来改善高强度钢铁材料的服役性能，发展三类原型钢。3)围绕关键科学问题开展研究工作，在钢铁材料理论上有所创新并形成有自主知识产权的钢铁材料工程技术，促进钢铁材料的减量化工作，改善能源转化利用效率，提高设施和装备的安全性。同时，培养钢铁材料研发方面的专家人才。3.2五年预期目标1.发展“多相、亚稳、多尺度”组织调控理论（1）高性能钢的亚稳奥氏体相变规律和多相组织形成理论，包括提高热轧材性能的组织控制理论，低碳超低碳贝氏体马氏体基体的多相组织形成现象和理论，塑性较目前钢提高一倍的多相组织获得理论等。（2）高性能钢的组织稳定性理论，包括高性能钢在温、力、蚀环境下的组织演变规律理论，以及马氏体钢的耐高温机理、650℃工作的新一代耐热钢理论。（3）高性能钢中夹杂物稳定控制理论以及高均匀度控制理论。2.形成高性能原型钢技术（1）对低合金钢为代表的建筑设施用钢，通过研究相变获得所期望的贝氏体或马氏体多相组织，并探索控制性能的组织单元，研究在焊接加工条件下的组织稳定性，发展强度500-1000MPa级的高韧性第三代低合金钢的组织调控技术。（2）对汽车用钢，通过对亚稳奥氏体相变研究，探索通过多相组织或马氏体组织提高塑性的途径，发展强塑积30GPa%（抗拉强度1.0GPa级、A30%和抗拉强度1.5GPa级、A20%）的第三代汽车用钢的组织调控技术。（3）对能源用钢，研究马氏体基体上的固溶与析出、晶界稳定性等现象，控制析出相和晶界，发展耐650℃高温的第三代耐热马氏体钢的组织调控技术。3.知识产权和人才培养通过本项目的实施，将形成一系列自主知识产权，申报国家发明专利10项以上；促进钢铁材料理论和技术发展，发表高水平学术论文100篇以上；为我国钢铁行业培养技术人才，培养各领域学术带头人6人以上，研究生50名以上。三、研究方案建筑、汽车、能源等应用领域需要钢材的服役性能不断提高，要求钢材的性能持续提高。我们要运用当代先进的实验装备，深入研究钢的亚稳奥氏体相变、多相组织形成与稳定、多尺度组织表征与力学行为等现象，掌握其规律，形成相关的理论与技术。本项目拟通过“多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（Multi-scale）”组织的精细调控（M3组织），探索出大幅度提高钢材力学性能的理论和技术，为改善建筑、汽车和能源用钢材的服役性能提供技术基础，图5-1。图5-1项目的总体研究思路对建筑设施用钢，通过从铁素体/珠光体组织向非平衡贝氏体/马氏体的组织控制，在提高强度同时，改善韧塑性、降低屈强比、焊接性能、耐火性能等，改善建筑抗震耐火耐候性能，减少钢材消耗；对汽车用钢，通过控制含马氏体和亚稳奥氏体的多相组织，实现高强度化和高塑性化，从而保证汽车轻量化和提高碰撞安全性；对能源用钢，控制马氏体耐热钢高温服役时的组织演变，提高组织稳定性，提高能源生产效率。为获得期望组织和性能，需要研究冶炼和凝固过程中三类钢的钢液－夹杂物间相互作用和反应平衡程度，凝固均匀化的等轴晶和柱状晶控制，获得经济高洁净度和高均匀度组织。根据钢铁材料理论和技术发展现状和趋势，我们提出了M3的组织调控思路来提高性能的思路。通过研究，可以在建筑设施用钢、汽车用钢、能源用钢等领域形成第三代钢铁材料技术。（1）高强高韧第三代低合金钢我国低合金钢生产和应用技术已经接近国际先进水平，可以生产几乎所有的低合金钢。第一代低合金钢（屈服强度300—500MPa级的铁素体/珠光体组织CMn钢、SiMn钢、微合金钢等）和第二代低合金钢（屈服强度500—900MPa级的针状铁素体钢、贝氏体钢、马氏体钢等）是目前生产和应用量大面广的材料。不断增长的建筑设施发展需要更高韧性和塑性的高强度钢材。由此，我们提出了发展第三代低合金钢的概念，具有立足本土的原始创新性。在控制夹杂物和凝固组织均匀细小的基础上，通过低碳超低碳化、微合金化、碳配分和新型热机械处理技术获得“M3组织”，大幅度提高韧性和塑性，形成屈服强度500-1000MPa级的高强高韧低合金钢技术基础。（2）高强塑性第三代汽车用钢软相和硬相的合理配比是发展高强度和高塑性汽车用钢的关键。通过非稳奥氏体相变研究，探索通过合金化、奥氏体状态控制、残余奥氏体、碳配分、新型热机械处理等方法来获得“M3组织”，大幅度提高强度和塑性，形成第三代汽车用钢技术（强塑积30GPa%）。尽管第三代汽车用钢的概念最近由美国提出立即引起了世界范围的研究者的兴趣，但是现在仍未见到公开的研究进展报告，目前各国研究者均在加快研究工作。我们所提出的技术思路具有创新性，可以在目前DP、TRIP、热成形马氏体钢的基础上形成低成本的第三代汽车用钢技术基础。（3）耐高温第三代马氏体耐热钢为了提高耐热钢的服役温度，需要控制基体组织、晶界状态、固溶与析出等稳定性。马氏体耐热钢的服役温度不断提高，多个工业化国家都在投入研究耐650℃高温的马氏体耐热钢。我们的研究将借鉴国际先进知识和技术，从提高组织稳定性基础研究出发，控制基体高温强度、基体和晶界的析出、析出相的稳定性、晶界的稳定性等，控制“M3组织”的形成和演变，提高马氏体钢的高温长时性能，获得比目前9-12Cr钢性能更好的第三代马氏体耐热钢。（4）夹杂物和凝固组织控制将经济高洁净度和高均匀度作为获得“M3组织”的基础。通过钢液－夹杂物—渣之间相互作用和反应平衡程度的研究与控制，得到所期望的夹杂物类型、数量、尺寸、分布等经济控制技术，大幅度降低夹杂物对韧塑性的影响。通过凝固过程中动量、热量和质量的传输行为研究，促进凝固柱状晶向等轴晶的转化，减轻或消除宏观偏析，形成新型的宏观偏析控制技术。探索高洁净度和高均匀度的“M3组织”裂纹启裂和扩展特征，有利于促进提高韧性、塑性、寿命技术的产生。四、年度计划第一年：主要研究内容：1.亚稳奥氏体相变规律研究与“多相、亚稳、多尺度”组织的精确表征研究2.组织演变的现象与规律研究3.提高钢的韧性和塑性等性能的组织调控理论思路与试验研究年度目标：1.掌握亚稳奥氏体相变现象与规律2.初步形成“多相、亚稳、多尺度”组织控制理论3.申请专利2项以上，发表论文12篇以上第二年：主要研究内容：1．提高钢的韧性和塑性等性能的组织控制理论深入研究2．高性能钢的组织稳定性研究3．“多相、亚稳、多尺度”组织的力学行为与机理研究年度目标：1．形成“多相、亚稳、多尺度”组织控制思路和技术基础2．高性能钢的组织稳定性现象与机理研究3．申请专利2项以上，发表论文24篇以上，培养研究生12人第三年：主要研究内容：1．“多相、亚稳、多尺度”组织调控技术研究2．原型钢技术基础研究年度目标：1．掌握“多相、亚稳、多尺度”组织调控技术2．初步形成原型钢技术3．申请专利3项以上，发表论文24篇以上，培养研究生24人第四年：主要研究内容：1.先进钢铁生产工艺流程条件下原型钢的组织控制技术深入研究2.较完整的“多相、亚稳、多尺度”组织的调控理论研究3.原型钢技术深入研究年度目标：1．掌握工业流程“多相、亚稳、多尺度”组织调控技术2．形成原型钢技术3．申请专利3项以上，发表论文24篇以上，培养研究生24人第五年：主要研究内容：1．工业流程条件下原型钢的组织稳定性研究2．工业流程条件下原型钢的力学行为研究年度目标：1．形成完整的“多相、亚稳、多尺度”组织调控理论和技术2．形成完整的高性能原型钢技术3．申请专利3项以上，发表论文36篇以上，培养研究生12人