提高钢铁质量和使用寿命的冶金学基础研究

一、研究内容和课题设置

课题的总结、评估工作表明，各课题都完成了既定任务。对五个理论问题找到了关键并有所突破。对三类原型钢已形成初步框架。材料课题为工艺课题提出了具体要求，工艺课题为材料课题提供了达到要求的技术措施。8个课题中7个评优，1个评良，故课题设置不做调整。在前两年工作的基础上对研究内容调整，主要是增加研究内容。

1、已有的工作基础

五个理论问题都找到了关键并有所突破

（1）微米级夹杂物形成和塑性夹杂物形成的理论：研究了渣-钢-夹杂之间的反应平衡理论。以此为基础形成了冶炼高洁净钢的新工艺，在实验室夹杂物的尺寸已降到微米级，尚待工业验证。

（2）均质化铸坯形成理论：研究了在连铸条件下等轴晶起源及增殖规律。在此基础上形成了浸入式水口的同质冷却芯及气膜冷却技术，振动形核技术和TiN、Ti₂O₃促进形核技术，尚待开展集成研究，形成均质化铸坯。

（3）多元微量元素在腐蚀环境中的协同作用：研究了Mn-Cu-X（P）的协同作用；P-RE-超细晶组织的交互作用；钢基体组织均匀化对耐蚀性的影响。在技术上形成了400MPa级、500MPa级、600MPa级和700MPa级耐候钢的合金系框架，需开展系列研究和应用研究。

（4）高强度钢的超高周疲劳断裂机制：研究了钢中夹杂物和基体组织对疲劳断裂行为的影响。找到了夹杂物尺寸与疲劳性能的定量关系。提出了控制临界夹杂物的概念。发现TRIP（相变诱导塑性）效应和CFB/M复相组织可以降低疲劳裂纹扩展速率。当前应在理论认识基础上开展“夹杂物工程”，形成超低氧条件下的球状、微米级、有一定塑性的夹杂物。

（5）高氮不锈钢合金化原理及高氮的加入与稳定技术。计算了碳含量对氮在奥氏体不锈钢中溶解度的相图。在此基础上开发了利用常压炉冶炼高氮不锈钢的技术。形成了高氮奥氏体不锈钢和亚稳不锈钢的合金系框架。尚需深入研究，形成两类原型钢，从而开展工业验证。

2、研究内容的调整

由于研究目标的提高，将大量增加研究内容

2.1.耐候性优良的高强工程结构用钢

（1）钢腐蚀性能的加速检测方法和安排长期挂片曝晒试验。

为提高钢的使用寿命，在研究工作中需快速检测其耐蚀性。现在还没有公认的可模拟大气腐蚀条件的加速检测方法，需建立与自然环境中长期挂片测试结果相关性好的方法。进行长时（期）曝晒，以观察中长期耐候性变化规律。

（2）耐候钢锈层在动态载荷条件下耐大气腐蚀的稳定性。

工程结构用钢一般的大多以承受静载荷为主，但有的需承受动载荷，如桥梁。需研究动态载荷条件下腐蚀性能加速检测方法和锈层与基体结合力的判断，动态条件下所形成锈层稳定性的表征。

（3）硫化锰夹杂、稀土氧化物对耐候钢腐蚀性能的影响。

前人研究的含Cu、RE的耐候钢未能应用主要是因硫化锰夹杂和稀土氧化物对耐蚀性的不良影响。通过提高钢质量可变有害元素为有利元素。需研究控制硫化锰夹杂物及稀土氧化物的炼钢、铸锭工艺。

（4）钢局部腐蚀的研究，夹杂物、界面偏聚在腐蚀过程中的行为与作用。

此前研究耐候钢主要是研究合金元素，特别是单一元素对锈层结构和耐蚀性的影响，对钢基体组织均匀性对耐候性的影响研究甚少。深化“贝氏体组织与耐候性”的关系的认识，从而对“不同组织对耐候性影响”有更深入地了解。

（5）适用不同环境、不同强度的耐候钢系列。

研究适用于在北方沿海、南方湿热沿海、工业城市、乡镇等不同环境，满足400MPa级、500MPa级、600MPa、700MPa级等不同强度要求的耐候性原型钢系列。

2.2.节约资源型不锈钢

（1）深入研究用现有冶炼设备在常压下冶炼高氮不锈钢（Cr-Mn-N（0.6%）型低镍无镍不锈钢）的工艺及其性能：

国外用加压炉冶炼高氮不锈钢。前两年的工作表明，可以用现有冶炼设备，在常压下冶炼高氮钢。开展上述研究有科学意义、经济价值。

（2）亚稳不锈钢

研究合金化原理；形变诱导相变强化机制，强韧性、成形性、焊接性、耐蚀性。寻求在汽车及铁道行业的应用前景。

2.3.高强度长寿命合金结构钢

（1）根据使用要求，开展典型条件高强度钢腐蚀疲劳的研究。特别是氢对高强度结构钢疲劳性能的影响，以对ODA区的形成规律有进一步的认识。

（2）通过提高洁净度、添加必要的微合金元素、细化组织等措施提高钢基体抗疲劳性能的研究。这在CFB/M钢中尤显得迫切。

2.4.高洁净钢和活性元素合金化的化学冶金

（1）在工业生产中验证理论研究成果和完善新的工艺路线，目标是在高强韧机械制造用钢中氧含量小于10ppm，夹杂尺寸为微米级并有一定塑性，冶炼高强度弹簧钢，进行疲劳性能试验，对工业验证用钢需配合疲劳实验检验。

（2）对加钙耐候钢的冶炼进行实验室探索性研究。

（3）用镁脱氧。因现场没有向钢液中安全稳定的加入方法，同时已开发了冶炼高洁净钢的新工艺，故不再进行。

2.5.工业铸坯凝固组织均质化

（1）在工业生产中验证理论研究成果和工艺技术

将振动激发形核、水冷水口、低温度梯度、结晶器电磁搅拌等单项技术组合集成，试制出高等轴晶率的耐候钢和弹簧钢铸坯，验证凝固均质化理论。

（2）高等轴晶率铁素体不锈的研究

为节约昂贵资源镍我国在大力推广铁素体不锈钢。因其铸坯的柱状晶发达，造成冷轧材表面皱褶和高的冷轧裂纹敏感性。运用本课题研发的高等轴晶率技术努力消除这一现象，提高铁素体不锈钢的质量。

二、研究目标

本项目的研究目标是：大幅度提高钢的使用寿命。预期普通工程结构用钢（普碳钢）在采用超细晶技术使强度提高一倍的基础上，使用寿命提高一倍以上。高强度机械结构用钢在疲劳强度不降低的条件下，寿命可提高一个数量级（由10⁷提高到10⁸）。本项目成果与一期973项目“新一代钢铁材料重大基础研究”的成果配套，实现钢铁材料强度与使用寿命均大幅度提高，把传统的钢铁材料改造、提升为低成本高性能的先进材料。为大幅度降低钢的消费量，节约资源、能源，保护环境提供科学依据和技术支撑，为解决国家中长期发展中面临的重大关键问题做贡献。

按照2004年9月批准的项目计划任务书，五年的目标：在理论上要形成五个冶金学理论；在理论指导下，发展三类原型钢，并有相应的目标。

1、形成五个冶金学理论的重要基础：

（1）微米级夹杂物和塑性夹杂物形成的理论；

（2）均质化铸坯形成理论；

（3）多元微量元素在腐蚀环境中的协同作用；

（4）高强度钢的超高周疲劳断裂机制；

（5）高氮不锈钢合金化原理及高氮的加入与稳定技术。

2、在上述理论指导下，发展三类原型钢

在原项目计划任务书中设立的三类原型钢为：

（1）耐大气腐蚀性优良的高强度工程结构用钢；

（2）低镍（或无镍）高氮奥氏体不锈钢；

（3）长疲劳寿命高强度合金结构钢。

三类原型钢的目前状态及预期目标见下表：

经前两年的工作，对五个冶金学理论问题都找到了技术关键并有所突破。将继续深化，有所创新。三类原型钢已形成初步框架，需要完善。鉴于我国国土辽阔，各地区的大气状况差异很大；建筑业和制造业发展很快，不断提出新的要求；前两年的研究工作中发现了一些问题，后三年的研究任务将加重，目标将提高。

经过中期总结，对中评估专家组建议的消化与思考，项目专家组讨论后确定，在深入研究五个冶金学理论基础上，对原型钢的应用对象要更加明确，深入开展基础研究，为工业应用提供理论指导，对解决国家需求作出实质性贡献。为此，对原型钢发展和预期目标作适当调整，见下表：

围绕上述目标，研究工作技术路线作调整如下：

对钢材原按静态承载（耐候钢）和动态承载（疲劳用钢）划分。实际使用时，多数应用条件是复杂的，承载是动、静兼受的（例如桥梁用耐候钢、磁悬浮用高强耐候钢、铁路车辆用结构件等）。我国国土辽阔，气候条件复杂，钢在海洋大气中应用，同时也有工业大气因素影响（例如在沿海城镇，特别是有工业制造业的沿海城镇）。为此，要拓宽应用性能研究内容，以考察原型钢的工业应用适应性。以耐候钢为例：

2)      耐候钢内锈层与基体的静态结合强度，动态（特别是疲劳应力态）锈层的开裂敏感性；

3)      同一耐候原型钢在不同环境（沿海大气和/或工业大气）的耐候性能。为适应主要破坏环境，将单一耐候钢经多元微合金协同作用深入研究，发展为同一系列（合金体系）不同适应能力耐候钢；

4)      前两年研制的耐海洋大气用钢初步结果可在北方使用，而不能使用于南方湿热海洋大气，后三年要努力形成这一应用背景的原型钢。

5)      所有耐候钢要在焊接性、冷、热加工性、采用超细晶钢原理形成高强高韧性上进行深入配套的研发工作。

高强韧长寿命机械制造用钢，要将已形成对夹杂物在高周疲劳破坏机理中的重要性认识转化，开展“夹杂物工程”研究，深入研究夹杂物结构、形貌、尺寸及分布，开展高洁净钢化学冶金的研究以得到球状、微米级、有较好的塑性夹杂，为疲劳寿命提高一个数量级作出贡献。

除了动态承载的力学条件外，还有使用环境与材料的交互作用。对环境气氛影响得到的结论应当在典型腐蚀疲劳作用下受到观察，必要时可对合金体系和制造工艺加以调整。

将“超细晶、高洁净度、均质性”的新一代钢铁材料特征形成的思路和创造高强长寿命机械制造用钢新材料相结合，形成高强长寿新钢类。