高性能钢铁材料技术

1、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钢铁研究总院中国金属学会特殊钢分会中国金属学会特殊钢分会董董 瀚瀚20132013年年1111月月7 7日日 北京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陆0200400600800100012001400160018001999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012粗钢产量，百万吨粗钢产量，百万吨年度年度中国世界其它钢是经济发展的材料基础0 020020040040060060080080010001000120012000 01010

2、20203030404050506060197819781980198019821982198419841986198619881988199019901992199219941994199619961998199820002000200220022004200420062006200820082010201020122012粗钢产量，粗钢产量， MtMt GDPGDP，万亿元，万亿元GDPGDPCrude SteelCrude Steel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）20051064003494025001631200612350041880280219172

3、00713500048900330223602008138800500263713251920091630005678444792681201018680062670583031522011206300683005474343820122184007165057813691水泥粗钢塑料十种有色金属050000100000150000200000250000主要结构主要结构材料材料的的产量产量，万吨，万吨材料：人类文明标志材料文明材料文明大量应用的大致时间大量应用的大致时间石器时代石器时代2,000,000BC2,000,000BC陶器时代陶器时代12,000BC12,000BC青铜时代青铜时代

4、3,000BC3,000BC铁器时代铁器时代从从1,000BC1,000BC至今至今? ?核材料核材料? ?1945AC1945AC硅材料硅材料? ?1968AC1968AC多种材料并存多种材料并存? ?19501950我国钢铁工业发展的约束条件气候变化气候变化矿产资源矿产资源交通运输交通运输50% of rail 50% of rail transportationtransportation 水资源水资源能源能源15% comsumed in steel 15% comsumed in steel sectorsector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

5、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 高炉转炉连铸热连轧钢筋、线材、型钢 高炉转炉精炼连铸热连轧冷连轧薄板 转（电）炉连（模）铸热轧热处理钢板 三步法冶炼连铸热连轧冷连轧不锈钢薄板 电（转）炉精炼连铸连轧精整热处理棒线材 特冶模铸快锻径锻热处理粗加工锻材 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：普通钢材：36003600（钢筋）（钢筋） 50005000（冷板）元（冷板）元/ /吨吨一般矿泉水一般矿泉水4 4元元/ /公斤公斤价格：高性能钢材 高端矿泉水 高性能钢材：高性能钢材：60006000（特殊（特殊钢）钢） 3000030000（不锈

6、钢）元（不锈钢）元/ /吨吨法国依云矿泉水法国依云矿泉水2020元元/ /公斤公斤钢材何去何从？高性能钢的主要特征高质量高性能环境友好低成本p窄化学成分p高纯净度p高均匀度p组织控制p高尺寸精度p高表面质量p力学性能强度和韧性p服役性能疲劳/延迟断裂/腐蚀/蠕变p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

7、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5005008001600200040060080010001200400600800140017000100020003000400050006000铁素体钢奥氏体钢贝氏体钢马氏体钢珠光体钢Rm, MPaindustrialtargetpotential纯铁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）02004006008001000120000.20.40.60.811.2strength,

8、 MPastrength, MPanitrogen content, %nitrogen content, %RmRp0.2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

9、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

10、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北京科技大学 王新华课题王新华课题试验炉次热轧板中夹杂物评级报告Inclusions controlConventional process The new processSanyo的夹杂物评估技术从高洁净钢到超高洁净钢The largest inclusions observed in each of thirty samples with a 100mm2 test areaConventional high cleanliness steel (oxygen content: 5 ppm)Premium cleanliness

11、steel (oxygen content: 5 ppm)起落架用超高强度钢公称横公称横截面积截面积cm2cm2方向方向RmRmMPaMPaRp0.2Rp0.2MPaMPaA A% %AKAKJ/cm2J/cm2645纵向186015153049645920横向1860151530291860151525294340300MAF1410A100超高强度钢发展02040608050010001500200025003000total elongation, %total elongation, %ultimate tensile strength, MPaultimate tensile str

12、ength, MPaCr-Mo-(Ni)300MAF1410A10045CrNi2MoVReq.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GST技术提高耐延迟断裂性能晶界G+组织S+陷阱控制TMoV合金化+工艺GST technology to improve delayed fracture 02040608010080010001200140016001800KISCC, MPam1/2KISCC, MPam1/2Yield strength, Yield strength, MPaMPa42CrMo-Hui W J42CrMo-V-Hui W J42CrMo-Ti-Hui W

13、 J300M-Li R S42CrMo-Li R S0.4C-low alloy steel(4340,H11,300M)-GerberichADF1ADF1-Lab.IST技术提高抗疲劳性能Fatigue limit improved by IST（夹杂I+组织S+陷阱控制TCrNiMoV合金化+工艺）2002003003004004005005006006007007008008009009001000100050050010001000150015002000200025002500Fatigue limit, MPaFatigue limit, MPaRm, MPaRm, MPacon

14、ventionalconventional组织调控The precipitation of carbontempered at 150tempered at 150tempered at 165tempered at 165极端马氏体组织 EAF-VIM 43400100200300400500600700800900120014001600180020002200HVHVRm,Rm, MPaMPaASB基体ASB组织形貌ASBASB组织形貌组织形貌ASBASB断口形貌断口形貌高分辨原子像ASB的组织形态超细组织超细组织衍射斑点衍射斑点100nm高性能钢的组织调控理论与技术基础研究国家科技部9

15、73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01002003004005006007008009001000Q235Q345Q420Q460Q590Q690Q780Q980建筑用钢屈服强度，MPa0501001502002501900194019802020600一万小时持久强度，MPa铁素体钢奥氏体钢packetpacketpacketpacketpacketpacketpacketpacket项目提出了M3

16、 组织调控目标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CCCCCCCCCC关键是调控相变中合金元素扩散carbon diffusion in steel0.54%C0.20%C中锰钢相变中的锰扩散575600625650675700725036912 Mn concentration (%)T, Annealing temperature (OC) Austenite Ferrite通过MM3 3组织调控获得高性能钢低合金钢板低合金钢板屈服强度屈服强度500-1000MPa500-1000MPaA AKVKV（

17、-40-40）200J200J或或 A30-25%A30-25%汽车薄板钢汽车薄板钢抗拉强度抗拉强度1000-1500MPa1000-1500MPaR Rm mA A30GPa%30GPa%耐热钢管耐热钢管耐耐650650持久强度持久强度100MPa100MPa高韧性第三代低合金钢0501001502002503003504004502003004005006007008009001000110012001300AKV,(L), -40,JAKV,(L), -40,JRp0.2, MPaRp0.2, MPa高强度钢板管线钢板桥梁钢板建筑钢板耐热钢板船体钢板耐磨钢板容器钢板本项目数据济钢20mm

18、-20莱钢高塑性第三代低合金钢 (本项目提出的研究目标)010203040506002004006008001000延伸率， %屈服强度，MPaQ295Q345Q390Q420Q460MA steel汽车用高强塑第三代薄板钢（美国 Auto/Steel Partnership: NSF 3rd Generation Advanced High-Strength Steels的目标）汽车用高强塑第三代薄板钢（973项目的目标）0102030405060050010001500200025003000延伸率， %抗拉强度，MPaconventionalTRIPmartensiticMetastab

19、le22SiMnTiB汽车用高强塑第三代薄板钢 from wrought iron to wrought steel from wrought iron to wrought steel050010001500200025003000020406080100(a)40GPa% 60GPa%20GPa%Bcc+FccBccFcc Hot Forming HSLA Maraging DPSS Mart. IF steel Mart-Bain. TRIP DP Advans BQP Advans MQP Advans AS Advans HN Nano-Bain ASS TW IPA(%)Rm (M

20、Pa)热轧板卷和冷轧薄板强度与塑性0102030405060708020040060080010001200A, %A, %Rm, MPaRm, MPa300400LC steelHNSTG-CRTG-HRTRIP40GPa%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1434521311mm 实物强塑积达到2532GPa%的水平，较现有热成形零件的强塑积提高一倍左右Property distribution of a tunnel105 specimens010203040506070809010005001000150020002500020406080100120Ductility, %Ductility, %StrengthStrength, , MPaMPaSpecimenSpecimen No. No.Rm, MpaRp0.2, MpaA, %, Gpa%Q&P处理后的组织（0.21%C钢）Traditional Q-T processQ&P proce