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钢铁工业协同创新关键共性技术丛书
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。
高性能绿色化钢铁材料开发及应用
1技术背景
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钢铁产品是经济建设中最重要的结构材料，开发“资源节约、环境友好、性能优异、品质优良”的高性能钢铁产品，是支撑我国经济可持续高质量发展，满足能源、交通、国防等领域重大设施建设急需关键原材料的重要前提。
东北大学聚焦绿色化钢铁材料工艺技术，通过组织细化、晶粒形态和晶界特性，相变进程、相变产物和相稳定性、比例、形态、尺寸和分布，以及析出粒子尺寸、形态、分布和相界面结构等一体化控制工艺，有效实现钢铁材料的节约化生产，实现了利用不同物理冶金学原理“量身打造”钢铁材料使用性能的目标，满足了我国经济建设、国防建设和工程设施等领域对关键原材料的重大需求，同时有效降低了贵金属元素的使用量，为我国钢铁行业转型升级作出了贡献。
2典型技术理论研究进展
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2.1基于新一代TMCP条件下奥氏体状态演变规律与调控方法研究，提出了与轧后超快速冷却相适应的最优控制轧制工艺
系统研究了控轧控冷工艺参数对奥氏体组织细化的影响规律，阐明了超快速冷却调控奥氏体物理冶金状态的机理。轧后采用超快速冷却，为高温轧制提供了可能性，避免了轧制过程中的待温、低温大压下及微合金元素的应变诱导析出（图1）。轧制时间可节约2-4min，降低轧制力34%-46%。
2.2系统阐述了新一代TMCP工艺在细化组织中的作用规律及机理
在奥氏体向铁素体相变过程中，增大过冷度可以细化F/P晶粒。连续冷却相变时，冷却速率的高低影响相变时过冷度的大小，冷却速率越大，过冷度越大，因此增加相变过程中的冷却速率，充分发挥超快冷在相变区域的作用有利于细化晶粒，进而提高钢材的强韧性（图2）。
2.3对比研究传统ACC工艺和UFC工艺条件下的沉淀析出规律，阐明了新一代TMCP工艺在细化沉淀粒子中的作用规律及机理
在新一代TMCP工艺中，使用超快冷技术抑制了碳氮化物在高温奥氏体的沉淀析出，使更多的微合金元素保持固溶状态进入到铁素体区微细弥散析出，其尺寸在2-10nm，可以大幅度提高钢材的强韧性（图3）。
2.4发现超快速冷却条件下的贝氏体相变可实现高强韧性的平衡，阐明了超快速冷却提高热轧钢材强韧性机理
超快速冷却终冷温度对组织性能的影响如图1所示。采用超快速冷却，可有效细化M/A岛、促进大取向差板条贝氏体的形成、抑制碳的配分、提高大角晶界比例。采用超快速冷却→℃→空冷的冷却路径，可获得高强韧性，其屈服强度高达MPa，韧脆转变温度低于-60℃（图4）。微孔很难形核于细小M/A岛或碳化物上，并且他们的生长不是沿着板条界，而是穿过大取向差板条界。此外，在裂纹转向处和微孔聚合处存在明显的塑性变形，韧脆转变温度较低。
2.56.5Ni钢代替传统9Ni钢节约合金化设计
探索了以强韧化马氏体基体为目标的微合金化原理和技术路线，找到了既保证镍系低温钢高强韧化又减少Ni的成分设计方法。微合金化6.5%Ni钢在-℃冲击功不降低的条件下，室温强度和-℃强度较9%Ni钢分别提高30MPa和65MPa，较常规6.5%Ni钢分别提高MPa和MPa（图5）。
3技术效果
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基于理论研究和工业稳定生产实践，形成了以超快速冷却为核心的控制轧制和控制冷却关键共性技术，促进我国“量大面广”产品的升级换代和节约化生产，有力支撑我国钢铁行业转型升级。采用该技术生产出节约型高品质舰船用钢、X70-X80、水电钢、Q-Q高强钢、耐候桥梁钢等系列产品，强韧性升级、焊接性能显著提高，解决了我国大型工程建设急需的关键原材料问题，提升国家重大装备的自主保障能力。
采用该技术开发的节约型高品质Q钢Mn含量降低超过40%；开发的节约型高品质32-36kg级船板Mn含量降低25%、Nb含量降低75%，且不再添加V。
4问题与展望
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目前，东北大学在低成本、高质量钢铁材料开发方面取得重大进展，所开发的绿色化钢铁材料已经在国民经济各个领域得到广泛应用。未来，冶金技术的进步将为钢铁材料的节约化和简约化设计提供基础，绿色化钢铁材料的开发将取得更大的进步。但钢铁材料在服役过程中仍存在腐蚀、断裂和疲劳等问题，另外，高强钢生产中依然存在着稳定性和残余应力等问题，未来需要在上述各方面继续开展深入而广泛的研究。
（本文摘编自“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”之《高性能绿色化钢铁材料》（刘振宇著.—北京：冶金工业出版社，.5））
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东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室