超纯超细晶粒钢的研制进展.pdf

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超纯超细晶粒钢的研制进展

张祝喜"赵卫东#侯利锋$

:"-中国铝业山西分公司氧化铝四厂山西河津%88$%%；#-山西省阳泉萌营煤矿山西阳泉%8!%%%；
$-太原理工大学材料科学系山西太原%$%%#8;

【摘要】超纯超细晶粒钢是指杂质含量小于"%%&&’，晶粒尺寸在"$级左右的工程结构用钢，这种钢的强度比传
统的同成分的钢材强度要高一倍以上，而韧性保持不变。较详细地叙述了这种钢的定义、特点和制造工艺技术，并对
其焊接性和应用前景进行了讨论。
【关键词】超纯超细晶粒钢组织结构焊接性
【中图分类号】()*+#,-$【文献标识码】.【文章编号】"%%$/**$0（#%%$）%+/%%%!/%#

引言的间接经济效益。
超纯超细晶粒钢即超级钢，是人类为了节约资源，"超级钢的特点
充分挖掘传统材料的性能潜力，通过一系列新的冶炼总的来说新一代钢铁材料的特点是超细晶粒、超
生产技术和控制轧制、控制冷却等工艺手段而获得的洁净度、高均匀性、性价比更加合理，强度和寿命比原
一种比传统的钢铁材料杂质含量低、晶粒细小的结构同类钢种提高一倍。
钢，其力学性能（主要为屈服强度）在原来的基础上提超纯净是指钢中的五大杂质元素9:即磷、硫、氮、
高一倍以上，并保持了原来钢的韧性不变。这种材料氧、氢;含量要低于"%%&&’，而一般的冶炼技术所得
的研制始于"11*年，日本首次启动了代号为2(0/#"元素含量在!%%&&’左右。这些杂质元素的存在，使材
“超级钢”科学研究计划，投资"%%%亿日元，目标是"%料中出现冷脆、热脆、白点和氧化物等缺陷，大大降低
年内开发出强度相当于现有钢铁材料#倍的超级钢。了材料的塑性和韧性。如非金属夹杂物会破坏材料基
韩国于"113年开始了一个历时十年的#"世纪结构钢体组织的连续性和均匀性，引发应力集中，造成材料的
研究计划，主要研究开发3%%456级结构钢、+%%456早期失效。因此，提高材料的纯净度，是钢铁工业发展
级耐候钢和"!%%456级的螺栓钢。#%%"年欧盟启动的必然趋势。令人欣慰的是，随着真空冶炼技术、铁水
了“超细晶粒钢开发”计划，#%%#年美国在钢铁研究指预处理技术的发展，可极大地降低了杂质含量。目前
南中公布了两个超级钢开发项目。我国于"113年在国能够达到世界最先进的水平，可使钢中各种杂质元素
家重大基础研究发展规划中启动了“新一代钢铁材料达到如下水平：5’#%&&’，2’!&&’，<’#%&&’，=’
重大基础研究的‘1*$项目’”。该研究的最终目标是将"%&&’，>’"?%&&’@"A。
占我国钢产量+%7以上的碳素钢、低合金钢和合金结超细晶粒是指新钢种中晶粒的尺寸要比原来的细
构钢等“三类”钢的强度和寿命提高一倍。小。目前的控轧控冷结构钢，其晶粒尺寸大约为""级
各国所研制的超级钢，一般均为结构钢，主要用于左右。根据>6BB/5CDEF关系，如果能够将晶粒尺寸降
道路、桥梁、高层建筑等基础设施建材。包括3%%456低到更低的一个数量级，材料的强度将会有大幅度的
级易焊接的铁素体/珠光体钢、耐延迟破坏和疲劳破提高，同时其韧性不会降低。
坏的"!%%456级超高强度钢、超临界压力发电设备材料的屈服强度（或硬度）与晶粒尺寸之间的
用铁素体耐热钢和海滨地区用钢等。据专家预测，我>6BB/5CDF关系式为：
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国如果采用新一代钢种取代上述的三类钢中!%7的!!G!%,"#。

传统钢材，则每年可少用"!%%吨钢，其直接经济效益其中!!为应变量为%?#7的屈服应力；!$是移动
达8!%亿元，并可减少钢厂建设、矿山的基建投资，减单个位错所需的克服点阵摩擦的力；I是常数（低碳钢
少资源损失和对生态环境的污染等，获得更为显著的一般为"#J"!456H’’$H#）；#是平均晶粒尺寸。可以

作者简介：张祝喜，男，"1+3年生，"11"年太原理工大学毕业，工程师。

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看出，材料的屈服强度随晶粒尺寸的倒数的平方根成随着铁水预处理、碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等
正比，晶粒尺寸从表)所示的)&级（’A’’$!<<）降低精炼技术的采用，钢中*、L等杂质元素的含量越来越
到)(级"’A’’I<<%，强度的增量非常显著，对低合金低，热裂纹、液化裂纹发生的频率已降得非常低。冷裂
钢来说，强度可以增加一倍。纹的产生因素包括扩散氢、脆性组织和残余应力，这对
超纯超细晶粒钢来说，可能性也比较小。
超细晶粒钢焊接的最大问题是焊接热影响区的
晶粒长大倾向和焊缝的强化和韧化。解决MNO的晶
粒长大倾向，必须采用