高性能钢铁材料技术课件

高性能钢铁材料发展

及对材料测试技术需求钢铁研究总院中国金属学会特殊钢分会董瀚2013年11月7日北京我们为什么需要高性能钢？世界上每两吨钢中有一吨产自大陆钢是经济发展的材料基础钢铁材料是除水泥外最大量的结构材料

也是最大量的功能材料（硅钢）材料：人类文明标志材料文明大量应用的大致时间石器时代2,000,000BC陶器时代12,000BC青铜时代3,000BC铁器时代从1,000BC至今?核材料?1945AC硅材料?1968AC多种材料并存?1950我国钢铁工业发展的约束条件气候变化矿产资源交通运输50%ofrailtransportation

水资源能源15%comsumedinsteelsector每生产一吨钢需要的资源与排放1吨钢0.6-0.8吨煤3.8吨水及其它1.7吨CO2及其它1.8吨铁矿石形成了先进钢铁生产工艺流程普钢长形材高炉—转炉—连铸—热连轧—钢筋、线材、型钢普钢薄钢板高炉—转炉—精炼—连铸—热连轧—冷连轧—薄板热轧中厚板转（电）炉—连（模）铸—热轧—热处理—钢板不锈钢薄钢板三步法冶炼—连铸—热连轧—冷连轧—不锈钢薄板特钢长形材电（转）炉—精炼—连铸—连轧—精整热处理—棒线材特钢锻材特冶—模铸—快锻—径锻—热处理—粗加工—锻材无缝钢管电炉—精炼—连铸—轧管—精整热处理—钢管价格：普通钢材

一般矿泉水

普通钢材：3600（钢筋）

～5000（冷板）元/吨一般矿泉水～4元/公斤价格：高性能钢材

高端矿泉水

高性能钢材：6000（特殊钢）

～30000（不锈钢）元/吨法国依云矿泉水～20元/公斤钢材何去何从？高性能钢的主要特征高质量高性能环境友好低成本窄化学成分高纯净度高均匀度组织控制高尺寸精度高表面质量力学性能强度和韧性服役性能疲劳/延迟断裂/腐蚀/蠕变工艺性能冷热加工生产/加工/应用过程中稳定和经济地回收利用生产/加工/应用过程中成本低高强度、耐腐蚀

耐高温、抗低温性能的极限化发展成本的持续降低质量的稳定性控制……高性能化是钢的永恒主题持续的需求钢材的减量化应用高强度：建筑钢、汽车钢……长寿命：轴承钢、弹簧钢……耐腐蚀：不锈钢、耐候钢……产业进步、生活改善、武器升级需要科学技术的进步钢铁材料、工艺与测试科学的发展生产技术和工艺装备的进步高强度化是钢的发展主题纯铁<111>方向的实测抗拉强度为13.1GPa，（S.S.Brenner,J.Appl.Phys.,27(1956),854.）氮合金化不锈钢

（1Cr22Mn15N）不锈钢中氮含量不断提高大同特殊钢公司非調質鋼技术神户制钢气阀弹簧钢市场占有率逐年提高高性能钢的关键技术高洁净度化学冶金与精确控制化学成分技术凝固过程的洁净度与均匀度控制技术板（方、圆）坯连铸、大锭型模铸、大锭型电渣的凝固控制技术高性能钢的轧制（锻造）工艺技术提高钢材尺寸精度与表面质量在线热处理技术后步精整热处理技术研究组织调控技术与缺陷检测控制技术高性能钢品种的应用技术研发需要关注的共性问题洁净度均匀度模具钢等向性齿轮钢带状组织、淬透性带宽产品质量稳定性和一致性产品的尺寸精度……产品的稳定性和一致性生产工艺流程的不断优化品种开发能力、关键钢材品种的特征关键工艺技术，尤其与设备的相关性生产工艺流程的在线控制，尤其是成分的精确控制，轧制模型的动态调整在线热处理、在线探伤、在线精整原材料品质均匀度碳和合金元素的分布均匀分布夹杂物（硫化物、氧化物）分布不均匀钢材硬度分布需更加均匀，提高加工性能化学成分的偏析控制降低热处理变形产品的尺寸精度使用高精度轧机，如kocks轧机，提高棒材的尺寸精度生产高精度管材，采用同样牌号的锅炉管，使用国内管材的机组效率需要提高扁钢边角锐度需要达到先进水平技术的支撑作用

市场需求与企业结构产品质量钢材品种工艺技术生产流程洁净度夹杂物控制北京科技大学王新华课题试验炉次热轧板中夹杂物评级报告InclusionscontrolConventionalprocess

ThenewprocessSanyo的夹杂物评估技术

从高洁净钢到超高洁净钢Thelargestinclusionsobservedineachofthirtysampleswitha100mm2testareaConventionalhighcleanlinesssteel(oxygencontent:5ppm)Premiumcleanlinesssteel(oxygencontent:5ppm)起落架用超高强度钢公称横截面积cm2方向RmMPaRp0.2MPaA%AKJ/cm2645纵向186015153049645—920横向1860151530291860151525294340300MAF1410A100超高强度钢发展均匀度大同特殊钢公司高均匀度模具钢高品质基础件用特殊钢齿轮钢1200MPa-1600MPa1500MPa-11000MPa螺栓钢12.9KISCC30MPam1/216.9KISCC30MPam1/2弹簧钢1800MPa-10.3b2000MPa-10.5b轴承钢L10106[O]10-15ppmL10109[O]5ppmGST技术提高耐延迟断裂性能

晶界G+组织S+陷阱控制T—MoV合金化+工艺

GSTtechnologytoimprovedelayedfractureIST技术提高抗疲劳性能

FatiguelimitimprovedbyIST

（夹杂I+组织S+陷阱控制T—CrNiMoV合金化+工艺）组织调控Theprecipitationofcarbontemperedat150℃temperedat165℃极端马氏体组织

EAF-VIM

4340ASB组织形貌ASB组织形貌ASB断口形貌高分辨原子像ASB的组织形态超细组织衍射斑点100nm高性能钢的组织调控理论与技术基础研究

国家科技部973计划项目建筑设施用钢建筑高层化和大型化耐火和抗震高强度、高韧性、低屈强比、耐中温汽车用钢轻量化碰撞安全性高强度、塑性、成形性能、焊接性能能源装备用钢能源转换高效率耐高温650℃、高运行安全性长寿命、高持久强度packetpacketpacketpacketpacketpacketpacketpacket项目提出了M3组织调控目标Multi-phaseMeta-stableM3Multi-scaleStableaustenitemetaStableausteniteFerrite+pearlitebainitemartensiteA3A1MSTTimeThermo－ＭechanicalTreatment（ＴＭＴ）M3组织调控原理示意图残余奥氏体板条块板条原奥氏体晶粒铁素体残余奥氏体马氏体/贝氏体板条束/板条块/板条合金固溶和析出铁素体[C][C][C][C][C]关键是调控相变中合金元素扩散

carbondiffusioninsteel0.54%C0.20%C中锰钢相变中的锰扩散通过M3组织调控获得高性能钢低合金钢板屈服强度500-1000MPaAKV（-40℃）≥200J或A≥30-25%汽车薄板钢抗拉强度1000-1500MPaRm×A≥30GPa%耐热钢管耐650℃持久强度≥100MPa高韧性第三代低合金钢高塑性第三代低合金钢

(本项目提出的研究目标)第三代低合金钢第二代低合金钢第一代低合金钢汽车用高强塑第三代薄板钢

（美国Auto/SteelPartnership:NSF3rdGenerationAdvancedHigh-StrengthSteels的目标）汽车用高强塑第三代薄板钢

（973项目的目标）第三代汽车钢汽车用高强塑第三代薄板钢

fromwroughtirontowroughtsteel热轧板卷和冷轧薄板强度与塑性40GPa%30GPa%15GPa%红旗车HQ7平台中央通道目前国内制造的尺寸最大、最薄的热成形零件厚度为0.9mm，外形尺寸为1434×521×311mm实物强塑积达到25—32GPa%的水平，较现有热成形零件的强塑积提高一倍左右Propertydistributionofatunnel

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specimensQ&P处理后的组织（0.21%C钢）TraditionalQ-TprocessQ&P

process900℃×30min300℃×2hACOQ900℃×15min500℃×10minWQ280℃×1minMs=375℃Mf=175℃TypicallathmartensiteLathmartensite+blockyphaseTEMTEMDFCmapProfileofCmapϒϒαα250nm[1-21]ϒ[1-53]

α奥氏体与马氏体的碳分布奥氏体与马氏体的碳分布（清华大学）G112钢持久强度明显优于T92钢T/P9