钢铁结构材料的组织细化钢铁结构材料的组织细化.doc

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”(Deformation Induced Ferrite Transformation，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”(Strain Induced Transformation，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～l μm)，提出了“应变诱导相变轧制”(Strain-induced transformation rolling，SITR)过程。从事新一代钢铁材料(简称N．G．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](Deformation Induced Ferrite Transformation，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