1、高性能钢的基础研究进展钢铁研究总院董 瀚2014年11月18日 北京科技部973项目（编号2010CB630800）高性能钢的组织调控理论与技术基础研究本项目的课题设置2010年1月2014年8月1第三代高强高韧低合金钢精细组织的研究低碳超低碳贝马多相组织北京科技大学东北大学尚成嘉2高塑性多相组织汽车用薄板钢的基础研究塑性提高1倍的多相组织1.0GPa上海大学华中科技大学李 麟3超高强度高塑性马奥组织薄板钢的基础研究高塑性马奥组织1.5GPa钢铁研究总院上海交通大学董 瀚4耐高温马氏体钢的组织稳定性基础研究马氏体钢耐高温机理，650钢铁研究总院中科院金属所刘正东5亚稳奥氏体相变及多相组织表征研
2、究亚稳奥氏体相变及组织控制钢铁研究总院清华大学雍岐龙6夹杂物稳定性和铸坯均匀度控制的研究夹杂物稳定和铸坯均匀控制北京科技大学钢铁研究总院王新华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01002003004005006007008009001000Q235Q345Q420Q460Q590Q690Q780Q980建筑用钢屈服强度，MPa05010015020025
3、01900194019802020600一万小时持久强度，MPa铁素体钢奥氏体钢packetpacketpacketpacketpacketpacketpacketpacket项目提出了M3 组织调控目标通过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 A30-25%汽车薄板钢抗拉强度1000-1500MPaRmA30GPa%耐热钢管耐650持久强度100MPa裂纹形核与扩展载荷位移裂纹形核裂纹扩展M3组织调控要点界面工程夹杂物与基体界面晶界或相界面组织界面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/
4、板条块/板条合金固溶和析出铁素体CCCCCM3组织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 , A nnealing tem perature (OC ) A ustenite F erriteB类夹杂物控制策略 控制控制重点：钙重点：钙处理后处理后去除夹杂去除夹杂物物 采取措施：优化软吹采取措施：优化软吹流量流量、时间时间等等钙处理后夹杂物能谱面扫描图像液态CaO-Al2O3系夹杂物转变示意图 CaO和Al2O3在
5、固相反应层内部传递是夹杂物转变的动力学限制性环节 通过减小钙处理前钢液中液态CaO-Al2O3夹杂物尺寸可以加快液态夹杂物转变，提高钙处理夹杂物高熔点化变性效率重要工艺技术创新新控制策略： 钙处理前去除夹杂物，尤其是大尺寸夹杂物 措施：增强RH精炼去除夹杂物效果去除夹杂物效果比较RH精炼后钢中非金属夹杂物数量 (b)钙处理后 (c)钢板试样(a) RH精炼后X80管线钢板夹杂物检验结果第三代低合金钢 C-Mn/Si-Mn/微合金钢 屈服强度300-500MPa 铁素体/珠光体 低微合金钢 屈服强度500-900MPa 针状铁素体/贝氏体/马氏体 超低碳微合金的新型TMT技术 屈服强度0.5-1
6、GPa, 高韧高塑 M3组织F+PB+F10mmM+B+A500MPa级多相组织桥梁钢板号部位厚度RP0.2 /MPaRm/MPaA/%Z/% 屈强比-40 KV21头2558572921790.802672尾2561677919.5780.792413头5047666326780.722734尾5047865327.5790.73259编号F/%B/%25mm厚38.761.350mm厚73.926.125mm Q500q50mm Q500q两种规格桥梁钢满足强度要两种规格桥梁钢满足强度要求，其主要优势在于较求，其主要优势在于较低的低的屈强比（屈强比（0.80.8）。 超快速冷却+加速控制冷
7、却(UFC+ACC)工艺成功生产了25mm和50mm两种厚度规格的500MPa级桥梁钢 多相组织调控X100管线钢屈强比 济钢批号规格屈服强度抗拉强度屈强比A50.8冲击功-30C纤维断面率DWTT-10C单值均值11T-02382314.77458250.904023426825210010010085 85 8511T-01760614.77008400.8333.52521822311009010090 85 88标准要求6907600.9717单值84J均值120J70%/75%70%/85%调控X100管线钢屈强比 沙钢试批号取样方向Rt0.5(MPa)Rt1.5(MPa)Rm (M
8、Pa)UEL(%) A(%)Rt0.5/RmRt1.5/Rt0.5B1565049100C753 869 9226.4 300.82 1.15 L744 912320.82 B1565049200C696 798 8707.3 280.80 1.15 L695 774 8558.0 320.81 1.11 B1565049300C753 866 9266.1 260.81 1.15 L685 809 8848.0 300.77 1.18 B1565050100C720 888 9577.2 260.75 1.23 L715 838 9067.0 300.79 1.17 B1565050200C
9、694 819 8967.4 280.77 1.18 L688 794 8798.5 340.78 1.15 B1565050300C708 832 9098.0 300.78 1.18 L683 825 9038.2 280.76 1.21 钢板尺寸：14.7 3100 12000mm优化的超快冷技术生产Q960钢规格mm屈服强度RP0.5MPa抗拉强度RmMPa延伸率A%冲击功-40J51000104016/1000104017/610001040167269759951030166265701010101060166963579951030155755654010101050166975
10、54995104015757366优化的超快冷技术生产Q960钢规格冲击温度冲击功，J123平均8mm-2063666664-4066636063-605453394925mm-2010110597101-4087909390-6066454251智能型节Mo抗震耐火钢传统耐火钢含0.4-0.9%Mo，新型耐火钢含0.2%Mo。智能： Nb、V在常温下大部分固溶，强化作用很小，而在着火高温条件下发生沉淀析出，从而提高钢的高温强度。着火过程大量析出TMCP常温600高温TMCP常温600高温20mm5mm5mm100nm1mmQ420FR钢的工业试制 成分CSiMnPSAltCrMo内控0.04
11、00.0600.150.250.750.850.0120.00300.0200.0400.450.550.170.22实际0.0500.170.780.01060.00140.0330.490.20TiVNbNH内控0.0100.0200.0250.0350.0800.1000.00500.0003实际0.0150.0280.0850.00440.0002Q420FR钢的工业试制 状态规格(mm)常温拉伸性能冷弯性能Z向性能(%)YS MPa TS MPaA%屈强比=180标准要求GB/T 28415-2012420-550520190.8516mm d=2a16mm d=3aZ15-Z35T
12、MCP1644756927.50.78合格75TMCP2548561924.50.78合格80TMCP40466582230.80合格77TMCP50484583240.83合格78TMCP6049059923.50.82合格67Q420FR钢的工业试制 状态规格(mm)低温冲击性能Akv（-40）, J600高温拉伸性能123YSMPaTSMPa屈强比标准要求GB/T 28415-2012纵向34J280/TMCP163533623852943710.79TMCP253873754003674820.76TMCP403583523503324100.81TMCP503573543563384
13、020.84TMCP603573583903524250.83细化板条束细化板条块宽度，控制残余奥氏体轧钢流程的组织控制高韧性第三代低合金钢莱钢4300轧线RmMPaRp0.2MPaA5%Agt%101FCT:465106089011.54.0105089512.03.5102FCT:310109092511.03.5109092510.0/103FCT:338108094511.53.5109093012.03.5高韧性第三代低合金钢0501001502002503003504004502003004005006007008009001000110012001300AKV,(L), -40,
14、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-20莱钢高强高韧第三代低合金钢钢级MPaRp0.2MPaRmMPaA5%Akv (-40), J传统钢（典型值）第三代低合金钢6906907501412020089089095012100200960960105010801501100110012509508013001300140093060高塑性第三代低合金钢 (本项目提出的研究目标)010203040506001002003004005006007008009001000延伸率，
15、 %屈服强度，MPaQ295Q345Q390Q420Q460MA steel高强度低合金钢提高塑性思路 提高加工硬化率 降低位错强化对强度的贡献改变基体组织 提高沉淀强化增量对强度的贡献 复相组织控制（亚稳奥氏体、软硬相匹配）1/ 21/ 2dfkdd1 M. F. Ashby. The Deformation of Plastically Nonhomogeneous Materials. Philos. Mag., 21 (1970) 399.Ashby 公式1提高塑性的技术思路软硬兼施针状铁素体/贝氏体析出强化析出强化针状铁素体Rp0.2=845MPa，A=24.0%Rt0.5=515M
16、Pa，A=27.1%高塑性第三代低合金钢5 0 05 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 08 5 09 0 09 5 01 0 0 01 21 62 02 42 83 23 64 04 4 L o w ca rb o n b a in itic ste e l N a n o -size d p a rticle h a rd e n e d fe rritic ste e l M u lti-p h a se ste e l h a rd e n e d w ith n a n o -size d p a rticle Total elongation, A5 (%)T
17、e n sile stre n g th (M P a )加工硬化率0 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 504 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 True stresswork hardening rate (MPa)T ru e s tra in沉淀强化复相钢沉淀强化铁素体钢低碳贝氏体钢在线回火处理工艺示意图tempering on line (TOL)0200400600800100012001400温度，温度，时间时间DQ+TTMTTOL扁平硬化奥氏体及其相变组织25mSEM照片EBSD晶界图在线回火处理原理示意图temperi
18、ng on line (TOL)1、热轧未再结晶扁平奥氏体2、扁平奥氏体部分相变为板条组织3、两相组织在回火中碳配分4、残余奥氏体转变为新板条组织最终组织为L1+L2富碳富碳富碳富碳富碳富碳L1L1L2在线回火调控相间碳的配分carbon diffusion between phases0.54%C0.20%C促进材料工艺装备流程发展促进钢板生产工艺装备的特色化 机架间冷却装备技术 缩短机架间板坯待温时间 板坯温度分布均匀 提高生产效率 改善钢板板形 提供装备解决方案 远程服务方案在线回火装备技术 实现在线回火热处理 生产第三代低合金钢 提供装备解决方案 远程服务方案汽车用高强塑第三代薄板钢（
19、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 DP、TRIP、M钢 低强塑积5-15GPa% 15%奥氏体 TWIP、A钢（高Mn、高Ni、高成本） 高强塑积50-60GPa% 100%奥氏体 中低合金化、奥氏体状态控制、碳配分 强塑积30-40GPa% M3组织 DPTRIPMQ&P技术研究（0.21%C钢）Traditional Q-T processQ&P process90030min3002hACOQ90015min50010minWQ2801mi
20、nMs=375Mf=175 Typical lath martensiteLath martensite + blocky phaseHigh ductility steel for hot stamping5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 06 0 0 0 0 Q -P (-T )文 献 D P T R IP Q -P (-T )本文 Q -T本文 B Q P本文RmA/MPa%R m /M P a15001840MPa，RmA30GPa%Hot stamping of F
21、AW HQ7 car Tunnel 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高强度高塑性TRIP钢（CMnAl）高强度高塑性TRIP钢（CMnAl）连退后获得极细小的组织F+B+RA(16.5%)TRIP980钢冲压件未发现开裂高强度高塑性TWIP（TRIP）钢 控制层错能 7mJ/m2 时，形变诱发大量马氏体，强塑性低12mJ/m2 时，形变诱发马氏体再转变为马氏体，强塑性居中18mJ/m2 时，形变诱发少量的马氏体相变，强塑性高 设计试验钢：Fe-18%Mn-0.3
22、%Si-0.6%C，层错能18.3提高塑性的思路考虑颈缩条件：d/d=0 .00 .10 .20 .30 .40 .501 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 T R IP 6 0 0IF T W IP s te e lM a rte n s itic s te e ldS/d, Work hardening rateS, True stress/MPa, T ru e s tra inw o rk h a rd e n in g ra te提高亚稳奥氏体量与控制稳定性02 04 06 08 01 0 002 04 06 08 01 0 0(b ) A R T
23、-a n n e a le d Q & P -p ro c e s s e d 2 0 M n -3 S i-3 A lT R IP /T W IP s te e l1 3 1 5 M n -3 S i-3 A l1 3 0 .6 0 .7 N a n o -B . S te e l1 4 T W IP /A u s . S te e l2 T R IP S te e l2 C o n v . S te e l2 RmxA(GPa%)A u s te n ite v o lu m e fra c tio n (% )汽车用高强塑第三代薄板钢 from wrought iron to wroug
24、ht steel05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 002 04 06 08 01 0 0( a )4 0 G P a %6 0 G P a %2 0 G P a %B c c + F c cB c cF c c H o t F o rm in g H S L A M a ra g in g D P S S M a rt. IF s te e l M a rt-B a in . T R IP D P A d v a n s B Q P A d v a n s M Q P A d v a n s A S A d v a n s H N N a n o
25、-B a in A S S T W IPA(%)R m ( M P a )900MPa级薄板钢0 .00 .10 .20 .30 .40 .502 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 E, E n g in e e rin g stra inE, Engineering stress,MPa S a m p le N o . % A 4 .5 % B 8 .4 % C 1 2 .6 % D 1 8 .3 % E 2 2 .5 % F 2 4 .0 % G 2 7 .0 % H 3 3 .9 % 1100MPa级薄板钢0 .00 .10 .20 .30 .405 0 01 0 0
26、 01 5 0 0(a ) E, Engineering stress,MPa S a m p le N o . % A A 2 6 .6 % B B 2 7 .6 % C C 3 8 .2 % D D 3 8 .6 %E, E n g in e e rin g s tra in中锰钢控制因素 TRIP机制Before tensile deformationAfter tensile deformation (Au=37%)太钢工业生产流程试制（2010年）T Tt tA AC3C3A AC1C1MMS S热轧板卷ART 退火冷轧钢板ART 退火Rm, MPa11708921275888Rp0
27、.2,Mpa8424301110875A, %11361036RmA, GPa%12.832.112.732.0热轧板卷和冷轧薄板强度与塑性0102030405060708020040060080010001200A, %A, %Rm, MPaRm, MPa300400LC steelHNSTG-CR TG-HRTRIP40GPa%30GPa%15GPa%创新的温成形技术Edaga C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steels, 1939温成形与热成形工艺对比温成形的优点第三代汽车钢（中锰钢）的特点工艺优点中锰含量的奥氏体化温度降低
28、比热成形生产线更低的投资节省能源减少表面氧化中锰含量的淬透性提高减少热成形模具投资大尺寸零件的成形组织性能均匀温成形替代热成形热成形22MnB5钢B柱温成形TG钢B柱B柱零件微观组织均匀表面光学显微组织心部光学显微组织B柱零件力学性能均匀SpecimenUTS，MPaYS，MPaTE，%HB11400117011.646421335126011.745831385107513.244641459127511.646951460123012.446361450125511.446771440122511.447681460123012.245291390121011.64461013851155
29、11.1467111425123511.4444促进材料工艺装备流程发展促进汽车板生产工艺装备的特色化 温成形技术 替代热成形 优点 提供生产线解决方案 远程服务方案连续退火+轧制变形=CARL 热处理与形变的耦合 对AHSS钢板实现组织性能更有效调控 生产第三代低汽车钢 提供生产线解决方案 远程服务方案第三代马氏体耐热钢0501001502002501900192019401960198020002020600600一万小时持久强度，一万小时持久强度，MPaMPa年代年代铁素体钢奥氏体钢第一代耐热钢第一代耐热钢第二代耐热钢第二代耐热钢第三代第三代耐热钢耐热钢耐高温第三代马氏体耐热钢 508-
30、3、2.25Cr-1Mo 耐 550高温 T/P91、T/P92 耐 600高温 9-12CrWMoCo-VNbTiB M3 基体组织、晶界、析出 耐 650高温2m650，8000小时M5 FractureM5 GripAgeing time (h)G115, 650 T122, 650 P92, 600 M23C6300108 nm145 nm1000116 nm310 nm160 nm3000153 nm380 nmLaves300129 nm1000143 nm410 nm3000184 nm485 nm析出相细小弥散，有助于更好的钉扎位错和板条，保持组织和性能稳定G115钢的析出相明
31、显比T122钢和P92钢细，为什么？G115钢析出相细小原因与作用G115钢中含有大量的B（130ppm），而P92和T122钢中B很少（30ppm）析出相含量回火态100 h aging3000 h aging8000 h agingM23C61.3 %1.426 %1.584 %1.656 %Laves相0.146 %1.899 %3.093 %3.359 %耐热钢管工业试制 254253500mmG115持久性能（达到了目前马氏体耐热钢的极限）Stress，MPaTime，hrReduction of area，%M12003089M218057877M4140674451M512017
32、01526 Fracture：温度和应力作用 Grip：温度作用（相当于时效）1100 1 hr A.C. + 780 3 hr A.C. + 650 持久G115原型钢的性能CCrWCoVNbNBCu0.0768.833.112.990.190.0420.0140.0131.0TempRm, MPaRp0.2, MPaA,%Z,%Akv2,JHBR.T.7636232372.311511221065038033826.585致谢 本项目“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”得到了科技部973项目的支持（2010年2014年），项目编号2010CB630800 本项目是在翁宇庆院士精心指导下完成的，感谢翁院士和项目组全体成员在过去5年里的辛勤而富有创造性的研究工作 感谢中国钢铁工业协会和中国金属学会的指导和支持 感谢参与项目的各企业的投入与支持复合钢管复合钢板 河南盛强复合钢板 河南盛强
