1钢的高性能化探索-董瀚资料.pdf

钢的高性能化探索 中国钢研 钢铁研究总院 董 瀚 2010年10月21日 大冶 我国钢铁生产和应用举世瞩目 567.84 0 100 200 300 400 500 600 700 0 5 10 15 20 25 30 35 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 粗钢产量，粗钢产量， Mt GDP，万亿元，万亿元 GDP Crude Steel Year19992000200120022003200420052006200720082009 中国中国124128151182222282353419489500567 世界世界789848850904970106911471251135113271200 %15.715.117.720.122.826.330.733.436.137.646.6 我国需要调整钢材产品结构 • 矿产资源和能源短缺问题 • 促进钢铁材料的升级换代 • 研发重大装备用高端钢材 • 钢铁生产流程的节能减排 我国2005年颁布的《钢铁产业发展政策》 我国2009年颁布的《钢铁产业调整和振兴规划》 我国经济发展需要钢材品种结构的调整 高性能钢 – 高服役性能 Giga Pa强度 106Pa→→109Pa Giga Cycle疲劳 106→→109 Giga sec.持久 （能源装备）→→109 Giga sec.寿命 （建筑设施）→→109 从Mega到Giga 973项目的研究目标 高性能钢的组织调控理论与技术基础研究 M3组织调控理论 亚稳奥氏体相变规律 和多相组织形成理论 组织稳定性理论 夹杂物与均匀度控 制技术 高性能原型钢 0.5-1GPa高韧塑 第三代低合金钢 强塑积≥ ≥30GPa% 第三代汽车用钢 耐650℃高温第三 代马氏体耐热钢 知识产权和人才 发明专利≥ ≥10项 学术论文≥ ≥100篇 学术带头人≥ ≥6人 培养研究生≥ ≥50名 973项目的课题设置 高性能钢的组织调控理论与技术基础研究 序号名称目标负责单位负责人 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 packet packet packet packet packet packet packet packet M3 组织 973项目提出的组织控制目标 M3 组织控制目标 – M3 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 [C] [C] 相变中的碳扩散控制 carbon diffusion in steel 0.54%C 0.20%C Damascus steel no new idea, but new means Modern Damascus steel no new idea, but new means 建筑用钢的高强度化趋势明显 0 200 400 600 800 1000 Q235 Q345 Q420 Q460 Q590 Q780 Q980 Yield strength, MPa Courtesy of Shanghai Guandaer Steel Structure Company 525 410 465 435 600 1000 05001000150020002500 pressure cryogenic shiphull welded machine wearing Rel, MPa 高强度钢中厚板强度不断提高 第三代低合金钢 第一代 • C-Mn/Si-Mn/微 合金钢 • 屈服强度300- 500MPa • 铁素体/珠光体 第二代 • 低微合金钢 • 屈服强度500- 900MPa • 针状铁素体/贝氏 体/马氏体 第三代 • 超低碳微合金 • 新型热机械处理碳 配分 • 屈服强度0.5- 1GPa, 高韧塑性 • M3组织 F+P B+F 10µm M+B+A 高韧性第三代低合金钢 (973项目提出的目标) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 200 300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300 AKV,(L), -40℃℃,J Rp0.2, 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 高塑性第三代低合金钢 (973项目提出的目标) 0 10 20 30 40 50 60 02004006008001000 延伸率， % 屈服强度，MPa Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 MA steel 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=515MPa，A=27.1% 800MPa级低合金钢板（热轧/回火） 序号钢板厚度断后伸长率抗拉强度规定非比例延伸强度屈强比 mm%Rm/MPaRp0.2/MPa% 1Z3016.91094 9850.90 2H3015.61130 926 0.82 3Z3016.210898810.81 4H3013.711289250.82 回火后钢板厚度Rp0.2/MPaRm/MPaA% 1Z3081583021.5 2H3083588517.5 3Z3085085019.5 4H3089589518.0 针状铁素体/贝氏体双相组织 工艺Rm/ MPaRt0.5/MPaA/%Rt0.5/ RmRt1.5/ Rt0.5εu/% 110308459.50.8201.093.2 291562518.80.6831.267.6 384057520.70.6851.3810.2 477053524.50.6951.24 11.3 570051527.10.7361.09 13.5 CSiMnNi+Cr+Cu TiNbCep 0.040.221.750.50.0150.0950.39 采用热机械轧制工艺技术和间断加速冷却工艺 控制冷却开始温度，以获得不同含量的贝氏体。

最终来控制 试验钢中软、硬相的配比 高塑性第三代低合金钢 500550600650700750800850900 5 10 15 20 25 30 low carbon bainite steel Preipitation hardening AF steel A5 (%) Yield strength (MPa) 高塑性沉淀强化低合金钢 试验钢的化学成分 0.07%C-1.70%Mn-0.25%Si-0.045%Nb-0.12%Ti 试样轧制工艺Rp0.2, MPaRm, MPaA5, % 1 卷取温度 700℃，厚度 5mm 68572524.5 2卷取温度 620℃，厚度 5mm 76581520.5 374579523.5 4 卷取温度 580℃，厚度 3mm 84591024.0 加工硬化率 0.000.020.040.060.080.100.12 0 400 800 1200 1600 2000 Strain hardening rate True stress (MPa) Plastic true stain 沉淀强化型针 状铁素体钢低碳贝氏 体钢 Structure of specimen 4 – B matrix + M/A island A=24% @ 845MPa EBSD grain orientation 1 12 2 3 34 4 EBSD grain boundary 1 12 2 3 34 4 EBSD GB orientation distribution 1 12 2 3 3 4 4 小角度晶界(2-15°)比例：21.35% 小角度晶界(2-15°)比例：43.88% 小角度晶界(2-15°)比例：47.62% 小角度晶界(2-15°)比例：53.78% 2009年我国汽车产量跃居世界第一 234 325 444 507 571 728 888 935 1379 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Output of automobiles 10 thousand 汽车轻量化和安全性需求 钢材技术发展重要驱动力 汽车用高强塑第三代薄板钢 （美国 Auto/Steel Partnership: NSF 3rdGeneration Advanced High-Strength Steels的目标） 汽车用高强塑第三代薄板钢 第一代 • DP、TRIP、M钢 • 低强塑积5- 15GPa% • 15%奥氏体 第二代 • TWIP、A钢（高Mn、 高Ni、高成本） • 高强塑积50-60GPa% • 100%奥氏体 第三代 • 中低合金化、奥氏体状态 控制、碳配分 • 强塑积30-40GPa% • M3组织 DP TRIP M 汽车用高强塑第三代薄板钢 （973项目的目标） 0 10 20 30 40 50 60 050010001500200025003000 延伸率， % 抗拉强度，MPa conventional TRIP martensitic Metastable 22SiMnTiB 汽车用高强塑第三代薄板钢 05001000 1500 2000 2500 3000 0 20 40 60 80 100 (a) 40GPa%40GPa%60GPa%20GPa%60GPa%20GPa% Bcc+Fcc Bcc Fcc Hot Forming HSLA Maraging DPSS Mart. IF steel Mart-Bain. TRIP DP Advans BQP Advans MQP Advans AS Advans HN Nano-Bain ASS TWIP A(%) Rm (MPa) M-A structure in TG5 steel ART annealed for 1h 马氏体片层完整 奥氏体中存在层错以及很少的退火孪晶 Mn distribution 2.5-3x M3组织的应变硬化特征 0.00.10.20.3 0 2000 4000 6000 8000 0.22C-TRIP σT & dσT/dεT εT 0.00.10.20.3 0 2000 4000 6000 8000 0.39C-TRIP σT & dσT/dεT εT 0.00.10.20.30.4 0 1000 2000 3000 4000 σT&dσT/dεT εT, True strain σT dσT/dεT TG5-12h 0.00.10.20.3 0 2000 4000 6000 8000 σT dσT/dεT σT&dσT/dεT εT, True strain TG4 第三代马氏体耐热钢 0 50 100 150 200 250 1900192019401960198020002020 600℃℃一万小时持久强度，一万小时持久强度，MPa 年代年代 铁素体钢 奥氏体钢 耐高温第三代马氏体耐热钢 第一代 • 508-3。