下载文档原格式
超细晶化理论及技术是21世纪新一代钢铁材料的重要发展方向。
目前，工业生产和广泛应用的低合金钢的屈服强度约为400MPa，抗拉强度约为500MPa，晶粒尺寸约为lOpm。
长期研究和生产实践表明，具有高强度且有高韧度的钢铁材料是最理想的材料，晶粒细化处理是同时提高材料强度和韧度的最有效途径，因此世界各国研究者力争通过对低合金钢进行细晶化的研究，将低合金钢的屈服强度由目前的400MPa级提高到800MPa级，其核心理论和技术是实现钢材的超细晶（或超细组织）。
1997年4月，日本开始了“新世纪结构材料（或超级钢材料）”为期10年的研究计划，提出生产将现有钢材强度翻番和使用寿命翻番为目标的新一代钢材。
之后韩国在1998年启动了“21世纪高性能结构钢”，我国予1998年末确立启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”项目（国家973项目），其目标是将现有的普碳钢和低合金钢的强度和寿命提高1倍，同时不降低钢的综合性能。
东亚相差不到1年，设立相同目标的研究项目带动了欧美各国钢铁界竞相参与和重视。
控制超细晶粒钢的组织而使钢强韧化的观点出发，对现有高强度低合金(HSLA)钢晶粒细化的理论和技术进行了探讨。
探讨高强度低合金钢的晶粒细化理论。
1.高强度低合金钢的晶粒细化理论：2.低合金高强钢最重要的力学性能指标是屈服强度GB和韧脆转变温度T。
对于新一代钢铁材料来说，提高其屈服强度民，降低其韧性转变温度T是研究和开发的重点。
提高钢铁材料强度的方法有：固溶强化、析出相强化、弥散强化、形变强化，细晶强化等。
钢铁材料提高强度的途径主要有4条Ⅲ：通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生周溶强化通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难（位错强化）通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细晶强化通过第二相(一般为M(C，N),析出相或弥散相）使位错发生弓弯和受阻产生析出强化。
各种强化机制的效果。
其中，细晶强化是唯一能同时提高强度和韧性的方法，其它强化方法得到的显微组织都存在强度提高而韧性下降的缺点。
有关纳米晶/超细晶问题的研究一、纳米晶/超细晶介绍1、定义：纳米材料是指在三维空间尺寸至少有一维是处于纳米数量级 (d<100nm)的材料，而处于亚微米数量级 (0.1<d<lμm)的材料称为超细晶材料。
纳米晶/超细晶金属材料的最大优点是纯金属的强度达到甚至超过了相应合金的水平。
目前，对纳米晶/超细晶材料的研究主要集中在两个方面:纳米晶超细晶材料的制备方法和纳米晶/超细晶材料的组织结构与性能的研究。
其中，纳米晶/超细晶材料的制备技术是关键环节，细化材料微观组织成为目前新型高性能材料发展的共同趋势。
2、纳米晶/超细晶各方面的性能当金属材料的晶粒被细化到超细晶时，材料将表现出优异的力学、热学、光学、电学和磁学性能。
其各方面的性能变化原因主要体现在以下几个方面：1）力学性能和变形行为超细晶材料的性能改变首先表现在力学性能的提高上，Hall--Petch指出，常规多晶体的屈服应力与晶粒尺寸之间存在关系式:式中一一材料发生0.2%变形时的屈服应力一一移动单位个位错时产生的晶格摩擦阻力K一一常数d一一平均晶粒直径H--P关系式是在多晶体的位错塞积模型基础上导出的.对于传统的多晶材料而言，相对于晶粒内部，晶界的自由能很高，是阻碍位错运动的势垒.在外力作用下，为了在相邻晶粒内产生切变变形，晶界处必须产生足够大的应力集中。
细化晶粒可产生更多的晶界，如果晶界的结构未发生变化，则需施加更大的外力才能产生位错塞积，从而材料得到强化。
因此，细化晶粒一直是改善材料强度的一种有效手段。
如果H--P关系式成立，则材料的屈服应力或硬度与几之间为斜率大于零的线性关系，即材料强度随晶粒尺寸的减小而迅速提高。
但是，材料强度并不可能随着晶粒尺寸减小而无限地增加.右图为与d之间关系的示意图。
理论上，材料强度不可能超过其完整晶须的强度，这可视为对应关系的上限。
此外，在晶粒非常细小的情况下，晶界处任何弛豫过程均可使强度下降；同时，如果晶粒小到不能容纳一个位错时，H--P关系式将不再成立，此即右图中的d＜时的情况。
第四章细晶钢及超细晶钢及其生产技术钢铁材料作为人类使用的最传统和最主要的结构材料，其经济性和性能多样性的结合是目前任何一类工程材料难以媲美的，并在今后相当长的时间内仍将发挥主导作用。
但也应该看到，钢铁材料的生产正面临着能源、资源和环境问题的巨大压力，同时也面临着其它材料的激烈竞争。
因此，从上世纪末开始，世界上许多国家（如日本、韩国、中国、欧盟等）陆续启动了旨在大幅度提高钢材的强韧性和使用寿命的大型科研项目，掀起了新一轮钢铁材料研究的热潮[1-3]。
我国于1999年正式启动了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目，其主要目标是保证生产经济性的前提下，使钢材的强度和韧性提高一倍，或强度、韧性没有明显增加，但其使用寿命提高一倍[1]。
提高材料强度的方法有多种，但晶粒细化是唯一既能提高强度又能改善韧性的方法，其它方法均会损害韧性。
因此，超细晶组织应是新一代钢最主要的特征。
根据Hall-Petch关系，低碳碳素钢的屈服强度从目前的200MPa级提高到400MPa级，其铁素体晶粒尺寸应细化至3-5μm；而对于低合金钢和微合金钢，其屈服强度从目前的400MPa级提高到800MPa级，铁素体晶粒应细化至1μm或更小。
这是新一代钢所追求的目标[1]。
自上世纪六十年代以来，人们一直致力于钢材晶粒细化的研究和开发工作，先后开发出未再结晶控轧（传统控轧）、再结晶控轧以及控制冷却等晶粒细化工艺，并在实际中得以广泛应用[4]。
但是，运用上述工艺获得的铁素体最小晶粒尺寸，对于碳素钢为10μm，而对于微合金钢为4~5μm，其屈服强度分别在200~300MPa级和400~500MPa级[4]。
自上世纪九十年代开始，一些新的晶粒细化方法又相继问世，如超大塑性变形、极限热机械加工等[34, 39-48]，铁素体晶粒可细化至亚微米甚至纳米级，材料的强度大幅度提高。
但是，这些方法目前仅能在实验室中实现，而且制备出的材料尺寸小，成本高，不符合我国新一代钢低成本、大规模生产的要求。
收稿日期:2004204202; 修订日期:2004206211基金项目:江苏省高校自然科学研究计划(03K JB430045)作者简介:张振忠(19642 ),陕西汉中人,博士后,副教授.研究方向:金属纳米与非晶材料.Em ail :njutzhangzz @・今日铸造 Today ’s Foundry ・超细晶超高碳钢研究现状及展望张振忠,赵芳霞(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏,南京210009)摘要:超细晶超高碳钢是国外近年来发展起来的一类新型的、并具有重要发展前景的高性能钢铁材料。
在系统总结大量文献资料的基础上,综述国内外近年来超细晶超高碳钢的研究进展,包括制备工艺,微观组织及其影响因素,室温力学性能,超塑性,层状超高碳钢复合材料等,指出今后超细晶超高碳钢研究的发展方向。
关键词:超高碳钢;制备;力学性能;超塑性中图分类号:TG 269 文献标识码:A 文章编号:100028365(2004)1020799204Study Status and Prospect of U ltra 2f ine G rained U ltrahigh 2C arbon SteelsZHAN G Zhen 2zhong ,ZHAO Fang 2xia(College of Material Science &Engineering ,Nanjing University of Technology ,Nanjing 210009,China )Abstract :Ultrahigh 2carbon steels (U HCSs )with the microstructure of ultra 2fine spheroidized carbides distributed in the ultrafine ferrite grains was a new kind of material which was developed in recent years at abroad.These steels posess unique properties that are unavailable in other materials ,which makes them have important potential structural applications in the later.Recent development of the U HCSs ,which include the fabrication techniques ,the influence factors and characteristics of the microstructure ,the ambient mechanical properties ,the superplasticity and the laminated composite of this new material were systematically summarized.In the end ,the future research directions on U HCSs had also been pointed out.K ey w ords :Ultrahighcarbon steels ;Fabrication ;Mechanical properties ;Superplasticity 超高碳钢(U HCS )是指含C 为1.0%～2.1%的过共析钢[1],由于传统方法制备的U HCS 具有极高的脆性[2],该材料的工业化应用在过去一直被人们所忽视。
超细晶钢理论及技术进展超细晶钢是一种具有优异强度、硬度和耐磨性能的先进材料，广泛应用于汽车、航空航天、能源等领域。
随着科技的不断进步，对超细晶钢的需求和研究日益增多。
本文旨在探讨超细晶钢的理论基础和技术进展，以期为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
自20世纪80年代以来，超细晶钢的研究取得了长足进展。
在理论上，研究者们利用分子动力学、量子力学等多种手段，对超细晶钢的原子排列、位错结构等进行了深入探讨。
在技术上，各国科研机构和企业纷纷投入巨资，研发出一系列制备超细晶钢的工艺方法，如快速冷却、高压轧制、超声振动等。
然而，超细晶钢的制备和应用仍存在诸多挑战，如成本高昂、工艺复杂等。
本文旨在研究超细晶钢的制备工艺、性能及其应用，并探讨其内在机制。
假设超细晶钢的优异性能主要源于其独特的微观结构和位错行为。
本文采用了文献综述、实验研究及数据分析等多种方法。
对超细晶钢的相关文献进行梳理和评价，了解其研究现状和存在问题。
设计和实施实验，包括超细晶钢的制备、微观结构观察和性能测试等。
运用数据分析方法，对实验结果进行整理和解析，以验证本文提出的假设。
通过实验研究发现，超细晶钢的制备工艺对其微观结构和性能具有显著影响。
采用快速冷却和高压轧制等方法，可获得具有高度均匀的纳米晶结构和优良性能的超细晶钢。
适当的热处理工艺也能够优化超细晶钢的力学性能。
在应用方面，超细晶钢已成功应用于汽车、航空航天等领域的关键部件制造。
例如，在汽车发动机中采用超细晶钢制成的活塞环，能够有效降低摩擦损失，提高燃油效率。
在航空航天领域，超细晶钢可用于制造高性能的航空发动机零部件和结构材料。
本文的研究结果表明，超细晶钢的优异性能主要源于其独特的微观结构和位错行为。
在制备过程中，应工艺参数的优化和成本控制，以实现超细晶钢的大规模生产和广泛应用。
针对不同应用领域的需求，应进一步研究和开发具有更佳性能的新型超细晶钢。
本文对于超细晶钢的理论及技术进展进行了初步探讨。
第40卷 第3期 2005年3月钢铁Iron and SteelVol.40,No.3 March 2005超细晶钢理论及技术进展翁宇庆(中国金属学会,北京100711)摘 要:叙述了由国家973项目:“新一代钢铁材料的重大基础研究”所开展的超细晶钢理论及技术进展。
形变-相变耦合、纳米析出相引起超细晶以及机械制造用钢的超细晶热处理是3个主要手段。
相应的组织性能预报、超细晶钢的焊接及化学冶金高洁净、凝固均质化及细化是制造和应用的关键技术。
关键词:钢;超细晶;技术中图分类号:T G14211 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2005)0320001208Progress of Theory and Controlled T echnologyof U ltraf ine G rained SteelWEN G Yu 2qing(The Chinese Society for Metals ,Beijing 100711,China )Abstract :Progress on theories and technologies for ultrafine grained steels in National Project :“Fundamental Re 2search on New Generation Steel ”has been reviewed.Interaction between deformation and phase transformation ,ul 2trafine grain phenomenon caused by nano 2scale precipitates and specific heat treatment for ultrafine grained steels of machinery industry are three major measures.Microstructure prediction ,welding technology for ultrafine grained steels ,high 2cleanness technology in chemical metallurgy and homogeneous distribution of solute in solidification process are key technologies for processing and application.K ey w ords :steel ;ultrafine grain ;technology基金项目:国家重大基础研究规划(973)———“新一代钢铁材料重大基础研究”资助项目(G1998061500)作者简介:翁宇庆(19402),男,博士,教授级高级工程师; E 2m ail :weng @ ; 修订日期:2004211206 1997年4月,日本开始了“新世纪结构材料(或超级钢材料)”为期10年的研究计划,提出将现有钢材强度翻番和使用寿命翻番为目标的新一代钢材,称为“超级钢”并在国家组织下开展研究[1]。
之后韩国在1998年启动了“21世纪高性能结构钢”、我国在1998年10月启动了“新一代钢铁材料”的国家重大基础研究计划。
东亚三国相差不到一年,设立相同目标的研究项目带动了欧美各国钢铁界竞相参与和重视。
按照我们的认识,“新一代钢铁材料”的特征是超细晶、高洁净和高均匀(高均质),其研发目标是在制造成本基本不增加,少用合金资源和能源,塑性和韧性基本不降低条件下强度翻番和使用寿命翻番。
它的核心理论和技术是实现钢材的超细晶(或超细组织)。
本文就我国的进展作简要扼述。
1 超细晶是新一代钢铁结构材料的核心 钢铁结构材料约占钢铁材料的90%,强韧化是结构材料的基本发展方向。
钢铁材料提高强度的途径主要有4条:(1)通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生固溶强化,它是点缺陷的强化作用;(2)通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难(位错强化),它是线缺陷的强化作用;(3)通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细晶强化,它是面缺陷的强化作用;(4)通过第二相(一般为M x (C.N )y 析出相或弥散相)使位错发生弓弯(奥罗万机制)和受阻产生析出强化,它是体缺陷的强化作用。
这4种强化作用中,细晶强化在普通结构钢中强化效果最明显,也是唯一的强度与韧性同时增加的机制。
其他3种强化机制表现为强度增加,塑性(有时韧性)下降。
发展超细晶钢,就是利用超细晶化发展细晶强化的强韧化作用,其增加屈服强度的效果见图1。
应当对钢铁材料的“超细晶”作一个说明。
按钢 铁第40卷图1 各种强化机制的强化效果示意图Fig.1 Schem atic illustration of effects illustrationof various strengthening mechanisms照晶粒度标准的评级,1～3级晶粒度(直径250～125μm )为粗晶,4～6级(直径88～44μm )为中等晶粒,7～8级(直径31～22μm )为细晶。
S.Takaki [2]及其合作者做了基础研究,见图2。
若纯铁在铁素体晶粒尺寸为20μm 时,普通钢材的屈服强度R eL 是200MPa 级,若细化在5μm 以下,R eL 就能翻番;具有低碳贝氏体或针状铁素体的钢材若显微组织细化至2μm 以下,强度就能翻番。
因此超细晶钢是将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级,新一代钢材目标强度与超细晶尺寸关系见表1[3]。
图2 不同晶粒度与屈服强度的关系[2]Fig.2 R elationship betw een grain sizeand yield strength [2] 在钢材强度翻番时,有两个钢材冶金质量问题应当引起注意:一是承载应力的提高势必要求钢材缺陷大小及形状不能引起缺口敏感,否则是不安全的,为此高洁净(减少夹杂物大小和数量)是基本要求。
二是由于钢材的偏析(特别是中心偏析等宏观偏析)带来化学成分分布不均匀造成钢材性能在不同部位不同,造成批量、规格、质量的不同,为此要求钢材有高均质性。
由于篇幅限制,本文不就这方面进展作介绍,详见其他叙述[4]。
2 几个重要的超细晶理论进展日本在发展超细晶钢时,重点是采用强力变形。
通过多轴变形、大变形量轧制[5],并配以动态再结晶轧制[6](图3)等机制运作。
我国在发展超细晶钢时,除了采用强力变形和动态再结晶轧制因素外,主要发展了形变和相变耦合以及研究纳米析出相在超细晶钢中的作用二个方向。
图3 Z ennre 2H ollomon 参数与奥氏体晶粒尺寸的关系[6]Fig.3 R elationship betw een Z ennre 2H ollomonparameters and austenite grain size [6]2.1 形变与相变的耦合传统压力加工(塑性加工,钢厂主要指轧钢)解决尺寸、形状和表面质量等问题,相变解决性能、组织和内在质量等问题。
控轧控冷(TMCP )是利用控制轧制为轧后的相变(控冷)奠定基础,两者虽有关表1 不同钢类确保强度翻番的超细晶化尺寸范围[3]T able 1 G rain size variation ensuring the doubled increase of strength [3]钢类组织现有强度/MPa目标强度/MPa超细晶尺寸/μm低碳钢铁素体+珠光体R eL 约200R eL 约400(α)约5低(微)合金钢低碳贝氏体或针状铁素体R eL 约400R eL 约800(α)1～2合金结构钢回火马氏体或贝/马复相钢R m 约800R m 约1500(γ)约5・2・第3期翁宇庆:超细晶钢理论及技术进展联,但基本上仍是两个互为独立的领域,两者的热点和发展关联不多。
“耦合”是指诸因素相互关联、相互作用,是矩阵中的相关相。
利用轧钢过程诱导相变、诱导第二相析出,利用新生相(在轧钢过程中相变而不是轧后冷却相变)的动态相变造成超细晶化是我们研究的关键点。
1983年新日铁的Yada博士[7,8]在实验室模拟轧机上将C2Mn钢的铁素体晶粒细化至2～3μm,并提出了动态相变的概念。
2000年Yada用实验证实的确存在变形过程中γ→α的相变[9]。
90年代中期,P.D.Hodgso n教授[10]将Nb2Ti复合微合金钢在实验室单机架轧机上将带材表面轧成1μm的铁素体晶粒,并提出了应变诱导相变(st rain induced t ransformation)概念。
我们分析了这些现象并利用宝钢(X65)管线钢材在实验室也轧出了铁素体尺寸为0192μm的样品[11]。
经过3年的系统研究,形成了形变诱导铁素体相变(DIF T)理论概要,笔者在2000年韩国召开的“21世纪高性能结构钢”会议上介绍了它的原理[12]。
低碳钢的热轧是在奥氏体相区进行,见图4 (a)。
若我们将热轧的精轧温度降至接近实际的临界点相区(γ→α+γ的A3点区),就有可能在轧钢中发生γ→α的相变,这就是形变诱导铁素体相变。
一个体系产生相变的热力学条件是体系总的自由能下降,即ΔG<0,按照热力学原理,应有ΔG=-V(ΔG V-ΔG E)+SΔG S(1) 式中ΔG是体系总自由能变化,ΔG V是化学自由能变化(V是体积),ΔG E是弹性自由能变化,ΔG S 是新相形成表面自由能变化,S是表面积。
在现代热连轧过程中,精轧速度很高,热轧过程产生的部分残余塑性变形能不能被热释放和热驰豫。
根据计算,约有5%～10%的残留变形能被储存,并在适当轧钢参数下促进了铁素体相变的产生。
我们称这部分能量变化叫形变储存能ΔG D,它是铁素体相变的驱动力,式(1)改为式(2)ΔG=-V(ΔG V-ΔG E)+SΔG S-VΔG D(2) 我们按照式(2)的计算发现Fe2C相图的A e3线发生变化,如图4(b)描述。
原有平衡A e3点在新条件下成为A d3点(d,deformation)。
ΔG D愈大, A d3提高愈多。
在精轧机组接近A3点变形可使钢材进入双相区(γ+α),在轧钢变形中产生了超细的铁素体(α)相,实验证明了它的正确性[13]。
DIF T相变有许多特性,笔者的文章[4,13]及孙祖庆、董瀚、孙新军、杨忠民、王国栋、吴迪先生等的图4 铁—碳相图(a)与形变后Ae3线的变化(b)Fig.4 F e2C diagram(a)and the variation ofAe3after deform ation(b)众多文章多有描述,这些特性还在探索和争论之中,笔者仅想指出几点:(1)DIF T受形变参数控制。
