编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由钢铁共性技术协同创新中心副主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。
工程装备用MPa级以上
超高强度结构钢板研制开发与工业化应用
1研究背景
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大型工程的建设离不开强有力的工程装备，在三峡工程、青藏铁路、港珠澳大桥、大兴国际机场等国家重大工程建设中，大型工程装备发挥着至关重要的作用。超高强钢板是工程装备制造的关键原材料，直接决定了装备的性能和使用寿命。随着工程装备向着高端化、大型化和轻量化方向发展，使用的结构钢板强度要求已从传统的-MPa上升至-MPa。超高强度结构用钢大部分都应用于高载荷的承载力结构部件制造，装备在实际应用过程中需要承载极高强度的动态载荷，因此要求钢材具有极高的强度，同时为了保证安全性能，还要求具有良好的韧性、塑性。此外，大量结构部件在制造时均需要通过焊接来连接，而焊接部位也会受到周期或非周期的高载荷，因此，该类钢材通常还会要求同时具备优异的焊接性能和疲劳性能。在所有钢铁材料中，超高强度结构用钢对综合力学性能的要求是最高也是最严格的，从而对该类材料的合金设计、组织调控和焊接、疲劳等使役性能均提出了极高的挑战。此外，工程装备的大型化和轻量化，要求使用的钢板强度更高、规格更薄，高强度薄规格钢板的内应力敏感性更高，难以控制，极限宽薄规格钢板的低应力控制技术，一直是世界性难题。
针对上述问题，东北大学研发团队协同国内南钢、华菱涟钢、河钢邯钢、山钢莱钢和中信金属等优势单位，经过十余年研究开发、工业化关键技术攻关和下游用户推广应用，实现了系列高品质工程装备高强钢板的理论研究-技术研发-产品开发-产业化应用全链条创新，突破了超高强钢板强韧性精细组织结构调控和低内应力控制技术，研制成功屈服强度-MPa超高强度结构钢板，并建立起钢板的焊接、折弯、切削加工应用技术体系。产品被广泛应用于大型工程装备制造，满足了我国高端装备制造业对高性能超高强度钢板的急需，并实现了欧美等国家和地区的反向出口。
2主要研究内容
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2.1研制成功屈服强度-MPa高强韧结构钢板
团队经过十余年的研究，建立了大型工程装备用MPa及以上级别超高强度钢板冶炼-连铸-轧制-热处理一体化马氏体相变细化增强增韧调控方法；提出在铸坯低温加热抑制原始奥氏体粗化、轧制时提高精轧压下率压扁细化奥氏体、控冷控制V-Ti微合金3-20nm纳米析出物析出和离线淬火控制加热温度等系列关键促进超高强钢板马氏体相变组织细化工艺，实现工业化生产超高强钢板原始奥氏体晶粒尺寸从传统30-50μm细化至10μm及以下的极限控制。以高级别超高强度结构钢板QF为例，原始奥氏体晶粒尺寸的细化，使得钢板屈服强度在大于MPa的同时，-60℃低温冲击韧性由传统15-25J提升至80-J的优异低温韧性目标。
基于此，项目首次提出基于碳当量和碳含量控制和Nb-V微合金复合添加的MPa及以上级别超高强度结构钢板合金设计思路，并协同细晶、相变、析出复合强韧化机制，获得超细晶高强韧位错型板条马氏体基体，开发成功的屈服强度-MPa级系列超高强度结构钢板，低温韧性达到F级，级别为同类产品世界最高级别，解决了系列超高强度结构钢板韧塑性差、焊接和疲劳性能难以保证、折弯开裂和切割变形等难题。
2.2突破了系列超高强韧结构钢板焊接难题
研发成功系列超高强度结构钢板焊接热影响区高韧性调控方法。研究了系列钢板焊接接头的冷裂纹敏感性，分析了焊接热影响区组织性能的演变规律，发现了超高强结构钢板焊接时晶内粗大的M-A组元和晶界上链状M-A组元的形成是造成焊接后热影响区低温冲击韧性下降的主要原因，提出提高临界粗晶热影响区的二次热循环峰值温度，以促进逆转变奥氏体在晶内形核，并分解链、块状M-A组元，解决了超高强钢板热影响区低温冲击韧性值偏低的难题。首次实现高级薄规格超高强度结构钢板QE实际应用时免预热焊接，解决了超高强度结构钢板焊接难题。
研发成功屈服强度-MPa级系列超高强度结构钢板的高效无缺陷焊接工艺，实现了屈服强度-MPa级系列超高强度结构钢板低预热或无预热的焊接，满足了系列超高强度结构钢板在焊后满足°折弯成型不开裂的苛刻要求，系列焊接工艺应用系列大型装备的焊接制造，满足了系列超高强度结构钢板的高性能焊接成型制造需求。
2.3明确了系列新型超高强度结构钢板的疲劳规律
超高强度结构钢板在实际应用过程中，需承受的高载荷，且承载力通常处于动态变化状态，如薄规格超高强度结构钢板应用量较大的起重机吊臂、超长泵车和云梯臂架等，钢板除了要求材料具有优异的强韧性匹配和焊接性能外，还要求具有良好的疲劳性能，其抗疲劳破坏能力成为工程结构失效的重要形式之一，也越来越受到研究者和工程行业的重视。
项目团队详细研究了工业化生产的系列超高强度结构用钢的疲劳性能及疲劳破坏失效特性，分析了不同载荷下钢板的疲劳性能，获得了系列超高强度结构钢板的极限疲劳强度；明确了各级别钢板在不同载荷疲劳条件下的破坏失效机制，为下游用户在使用该类钢板时的选材提供了数据基础，对该类钢的工程化推广应用具有重要指导和借鉴意义。
2.4攻克了系列极限薄规格超高强度结构钢板组织内应力调控一体化调控技术
3-10mm规格高级别超高强度结构钢板在强度、韧塑性、焊接、冷成型性、平直度板形和内应力等方面要求苛刻。此类钢板由于宽厚比大、淬火敏感性高，钢板淬火易瓢曲且矫正困难，其板形内应力控制技术一直是困扰全球钢铁行业的技术难题。项目发现薄规格超高强度结构钢板板坯缺陷和组织均匀性对薄规格超高强度结构钢板内应力的影响规律，提出超洁净度低夹杂物冶炼控制、低缺陷高均匀性的连铸控制、组织细化和均匀性协同控制轧制和热处理的全流程内应力一体化调控思路，并协同高精度专用薄规格热处理装备的研制，实现3mm薄规格高级别超高强度结构钢板高平直度低内应力稳定生产，板形不平度达到≤3mm/m的高水平控制，满足了下游高端大型装备制造用户对薄规格超高强度结构钢板低残余内应力的使用需求。
系列超高强度结构钢板实现了超长窄宽断面切割后不变形和无裂纹的优异控制，满足了超大型起重机拉板苛刻性能制造需求，被应用于大型履带式起重机关键部件制造，为我国超大型装备制造作出重要贡献。
3技术应用
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团队研发的系列产品及其关键制备技术在国内多个钢厂实现应用和推广，包括南钢、华菱涟钢、河钢邯钢和山钢莱钢等大型钢铁企业，项目研发的超高强度结构钢板在大型起重机吊臂、拉板、底座和泵送机械臂架等大型工程装备的关键重载荷受力部件应用，国内大型工程机械制造企业如徐工、三一、中联、柳工等大企业大型工程装备关键部件钢板主要使用项目生产的系列产品，如吨全地面起重机吊臂，吨履带式起重机拉板、80m及以上超长泵车臂架等，并出口到欧美多个国家，为我国工程机械跃居世界第一提供了重要的原材料支撑。项目研究成果获得省部级一等奖2项。
（本文摘编自“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”之《超高强度结构钢》（王昭东，邓想涛著.—北京：冶金工业出版社，.5））
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▲《世界金属导报》20期B05
内容来源：世界金属导报
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