1.1　超級鋼（新一代鋼鐵材料）概述

1.1.1　新一代鋼鐵材料（超級鋼）的概念

（1）何謂“新一代鋼鐵材料”？

新一代鋼鐵材料系指具有組成單元超細晶、化學成分（雜質）高潔凈度、顯微組織高均勻性的組織、成分和結構特征，以及高強度、高韌性的力學性能特征的新一代鋼鐵材料。即在環境性、資源性和經濟性的約束下，采用先進制造技術生產具有高潔凈度、高均勻度、超細晶粒特征的鋼材，強度和韌度比傳統鋼材提高，鋼材使用壽命增加，滿足21世紀國家經濟和社會發展的需求。新一代鋼鐵材料，亦稱超級鋼，或稱超細晶粒鋼等。

（2）新一代鋼鐵材料（超級鋼）的開發是經濟建設和社會發展的需求

1995年日本發生大地震，當地鋼鐵建筑毀于一旦，引發日本學界對鋼鐵材料重要性的思考。為適應未來發展，很多學者提出要開發更堅固的鋼鐵材料，這就是研發“超級鋼”的起源。日本鋼鐵界和國家金屬研究院經過1995～1996兩年的調研，在日本科技廳支持下，于1997年4月正式啟動了“超級鋼材料國家研究計劃”，目標是在10年內開發出把鋼的“實際使用強度提高1倍，結構的壽命提高1倍，降低總成本，降低對環境的污染度”的超級鋼，用于道路、橋梁、高層建筑等基礎設施建材的更新換代。此舉措被認為是對世界上最重要的工程結構材料——鋼鐵的再認識，是“第二次鐵器時代”來臨的前期征兆，吹響了“向鋼鐵進軍”的新號角（表1-1）。

在日本超級鋼項目的影響下，1998韓國啟動了“21世紀高性能結構鋼發展”的10年國家計劃。2001年歐盟啟動了“超級晶粒鋼開發”計劃。2002年美國在鋼鐵研究指南中公布了兩個新一代鋼鐵材料開發項目。

我國鋼產量自1996年以來一直穩居世界第一，但在鋼鐵品種、質量方面與世界先進水平仍有很大差距，沿用了幾十年的鋼種體系急需更新換代。1998年在國家重點基礎研究發展規劃項目“973計劃”中啟動了“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”項目，并將超級鋼思路發展成“超細晶粒鋼”。該課題的目標是在生產成本基本不增加的前提下將現有碳素鋼、低合金結構鋼和合金結構鋼的強度目標提高1倍，即分別達到400MPa、800MPa和1500MPa，并滿足韌性和各種使用性能要求。超級鋼（新一代鋼鐵材料）的深入研究和應用開發正成為21世紀鋼鐵材料界的歷史使命。到2001年后，全球范圍的新一代鋼鐵結構材料研發工作已蓬勃展開，陸續取得了階段性成果和成效（如開發出原型鋼、進行中試等）。

我國研究工作的主要目標是在保證有良好塑韌性基礎上大幅度提高鋼材強度，其技術思路是以細化鋼材的晶粒和組織為核心，同時提高鋼的潔凈度，并改善鋼的均勻性。在理論研究基礎上，把鋼的強度提高1倍。此外還須滿足：生產成本不增加或增加不多；塑韌性基本不下降以保證符合生產、應用要求。即做到低成本和高性能的統一，把傳統材料改造、提升為低成本高性能的新型材料。其優越性是節約資源、能源，降低生產成本，改善廢鋼的可循環使用性，利于可持續發展。

近幾年，國內外的新一代鋼鐵材料項目主要以高強度化與長壽命化為研究主題，以800MPa高強度鋼、1500MPa級超高強度鋼、耐熱鋼和耐蝕鋼為研究對象。

1.1.2　新一代鋼鐵材料（超級鋼）的主要特征

新一代鋼鐵材料的主要特征是：在充分考慮經濟性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細晶粒、高均勻度的特征，強度比常用鋼材提高1倍，鋼材使用壽命增加1倍。

（1）超細晶

鋼只有獲得超細晶組織才能使強度翻倍并具良好的強韌性配合。在眾多強化方式（如固溶強化、第二相強化、位錯強化等）中，細晶強化是唯一可使屈服強度ReL（σS）大幅度提高的同時韌性提高或不降低的強韌化途徑。正如Petch公式所表達：

ReL（σS）=Ri（σⅰ）+Kd-1/2；TK=a-bd-1/2。

式中，Ri（σⅰ）為F晶格摩擦力；K、a、b均為常數；d為晶粒直徑；TK為韌脆轉變溫度。超細晶理論和技術是發展超級鋼的理論基礎和關鍵技術，晶粒尺寸應在0.1～10μm之間。超細晶是新一代鋼鐵結構材料的核心。

（2）高潔凈度

潔凈度是指鋼材允許的雜質含量和夾雜物形態能滿足使用要求。由于鋼的強度翻番，材料在使用時承受更大應力，使裂紋形成和擴展的敏感性增加。新型材料應具有更高的潔凈度，但并非潔凈度越高越好，而是達到能滿足使用要求所需潔凈度，稱為“經濟潔凈度”。鋼中S、P、O、H、N等雜質元素的總含量應<0.008％；另外是嚴格控制鋼中夾雜物的數量、成分、尺寸、形態和分布。

（3）高均勻性

高均勻性系指鋼中化學成分、組織和性能的高度均勻。要盡可能地減少鋼在凝固過程中的偏析和爭取獲得全等軸晶粒。鋼液凝固過程中，由于傳熱規律造成順序凝固，帶來低熔點元素的宏觀偏析，形成了難以克服的中心偏析。為改善鋼的均勻性，在凝固過程中應盡可能阻止柱狀晶的發展，目標是在性能要求高的鋼的鑄坯中爭取基本為全等軸晶。在雜質總量不變情況下，提高均勻性相當于提高潔凈度。

其中核心技術是超細晶。鋼的理論強度可高于8000MPa，而現在大量應用的碳素鋼的強度僅200MPa，低合金鋼只有400MPa，合金結構鋼也只有800MPa。因此在已有科研成果基礎上，進一步探索提高鋼材強度和使用壽命的規律，把鋼材強度成倍提高，在技術上是可行的。在鋼的化學成分-工藝-組織-性能的關系中，強調了組織的主導地位，即其超細的微觀組織表現出優異的綜合性能。

生產中常見的標準晶粒度等級為8級，其中1～3級為粗晶（d=250～125μm），4～6級為中等晶粒（d=88～44μm），7～8級為細晶（d=31～22μm）。目前還沒有一個被廣泛接受的標準，對超細晶的尺寸給出確切的定義。有人建議把晶粒尺寸為3～10μm的熱軋帶鋼稱為細晶；1～3μm稱為超細晶粒；0.1～1μm稱為微細晶粒；而把晶粒尺寸在0.1μm以下稱為納米晶粒；10μm以上即為普通晶粒。

1.1.3　超級鋼研發的兩個關鍵——“微合金化”與“新型TMCP”

（1）話說微合金化與合金化

①微合金化與微合金化鋼　所謂“微合金化”，即指采用現代冶金生產流程生產的高技術鋼鐵產品。它是在普通低碳C-Mn鋼中添加微量（通常小于0.1％）的強碳（氮）化物形成元素（如Nb、V、Ti及N等）進行合金化，通過高純潔度的冶煉工藝（脫氣、脫硫及夾雜物形態控制）煉鋼，在加工過程中施以控制軋制-控制冷卻等新工藝，通過控制細化鋼的晶粒和碳（氮）化物沉淀強化的物理冶金過程，在熱軋狀態下獲得高強、高韌、高可焊接性、良好的成型性能等最佳力學性能配合的工程結構材料。

微合金化鋼是采用現代冶金生產出的高技術含量、高附加值的產品，是國民經濟建設中用量最大、用途最廣的鋼鐵材料。微合金化鋼的強度高、韌性好，可為用戶節能節材而降低成本。縱觀工業發達國家，發展工業走的就是微合金化鋼的道路。在我國，許多企業都把發展微合金化鋼作為企業鋼材品種結構調整的主要內容和首要工作來抓。微合金化的鋼材的研究和開發，已為國內許多鋼鐵企業帶來生機，帶來了市場競爭力的提高和更多的經濟效益。

我國的鋼鐵工業要想趕超世界先進水平，只有堅定不移地走微合金化鋼的道路。

②微合金化高強度低合金鋼與普通高強度低合金鋼的不同

a.基本概念的不同　普通高強度低合金鋼是指在碳素結構鋼（wC<0.2％）基礎上，加入少量合金元素（一般合金元素總量wMe<3％）而發展起來的、具有較高強度的工程結構用鋼。其化學成分特點是低碳，隨鋼中碳含量增加，鋼的強度會增加但塑性降低；其主加合金元素為Mn，固溶強化、降低相變溫度而細化珠光體和鐵素體的作用，同時還可增加基體中珠光體數量，使鋼的強度增加；輔加合金元素是Al、V、Ti、Nb等，起到細化晶粒、彌散強化的作用，其可一種加入，也可兩種及以上同時加入。

微合金化高強度低合金鋼中，晶粒細化強化仍是最重要的強化方式，微合金碳氮化物的沉淀硬化也是重要的強化方式，Mn的固溶強化也是普遍采用的強韌化方式；其成分特點是低碳、高錳并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及RE元素等，常用碳含量為0.12％～0.14％，甚至降至0.03％～0.05％，降低碳含量主要是從保證塑性、韌性和可焊性等方面考慮，微量合金元素復合（0.01％～0.1％之間）加入對鋼的組織、性能的影響主要表現在：改變鋼的相變溫度、相變時間，從而影響相變產物的組織和性能；細晶強化；沉淀強化；改變鋼中夾雜物的形態、大小、數量和分布；可嚴格控制P的體積分數，從而獲得少珠光體鋼、無珠光體鋼（如針狀鐵素體）乃至無間隙固溶鋼等新型微合金化鋼種。

b.積極引入冶煉新技術，控制夾雜物形態，提高冶金質量　在微合金化高強度低合金鋼中，采用的是現代冶金生產流程生產的高技術鋼鐵產品，通過高純度的冶煉工藝（脫氣、脫硫及夾雜物控制等）煉鋼，如廣泛采用的氧氣煉鋼使鋼中氮量降低，再加上用鋁脫氧并固定氮，形成AlN，對細化鋼的晶粒，減少應變時效，起了良好作用。用鋁脫氧，還保證了微合金化元素鈦、鈮、釩的收得率。

鋼中夾雜物最理想的形態是呈球狀，最壞的是共晶體的棒狀物。往鋼中加入鈣，可改變硫化物與氧化物的形態，并可降低鋼中夾雜物含量。加入RE元素可強烈降低氧和硫在鋼液中的溶解度，硫化物、氧化物夾雜在凝固前可上浮，因而使鋼去硫，并強化了硫化物。

由于爐外冶煉新技術的發展，如鋼液真空處理、鋼包精練等，能很好地脫氣和脫硫，生產高質量的純凈鋼。

c.多元、復合、微合金化必須與新型的控制軋制與控制冷卻相結合，才能發揮其強韌化作用　即多元、復合微合金化的成分特點，必須在新型控制軋制、控制冷卻狀態下才能獲得高強度、高韌性、高可焊性、良好的成形性能等最佳力學性能配合的微合金化高強度低合金鋼。

（2）新一代TMCP與傳統TMCP究竟有何不同？

TMCP（Thermal Mechanical Control Processing），熱機械處理工藝即控制軋制和控制冷卻技術，其目標是實現晶粒細化和細晶強化。

所謂控制軋制，是對奧氏體硬化狀態的控制，即通過變形在奧氏體中積累大量的能量，在軋制過程中獲得處于硬化狀態的奧氏體，為后續的相變過程中實現晶粒細化做準備。硬化的奧氏體內存在大量“缺陷”，例如變形帶、位錯、孿晶等，它們是相變時鐵素體形核的核心。這種“缺陷”越多，則鐵素體的形核率越高，得到的鐵素體晶粒越細。控制軋制的基本手段是“低溫大壓下”和添加微合金元素。所謂“低溫”是在接近相變點的溫度進行變形，由于變形溫度低，可抑制奧氏體的再結晶，保持其硬化狀態；“大壓下”是指施加超出常規的大壓下量，這樣可增加奧氏體內部儲存的變形能，提高硬化奧氏體程度；增加微合金元素，例如Nb，是為提高奧氏體的再結晶溫度，使奧氏體在較高溫度即處于未再結晶區，因而可增大奧氏體在未再結晶區的變形量，實現奧氏體的硬化。控制冷卻的核心思想，是對處于硬化狀態奧氏體相變過程進行控制，以進一步細化鐵素體晶粒，甚至通過相變強化得到貝氏體等強化相，進一步改善材料的性能（如圖1-1所示）。然而，目前控制冷卻上存在的主要問題是高冷卻速率下材料冷卻不均而發生較大殘余應力、甚至翹曲的問題；另外，微合金元素的加入甚至合金元素的加入，會大幅度提高材料的碳當量，這又會惡化材料的焊接性能等。從節能環保、低成本、可循環等方面考慮，科技工作者研發了以超快冷技術為核心的新一代TMCP技術。

如圖1-2所示，與傳統的低溫大壓下TMCP相比，新一代TMCP在高溫區進行大壓下后，進行快冷，而后控制冷卻路徑，實現減量化軋制以及性能的多樣化控制。新一代TMCP的中心思想：在奧氏體區間，趁熱打鐵，在適于變形的溫度區間完成連續大變形和應變積累，得到硬化的奧氏體；軋后立即進行超快冷（對3mm厚鋼板的冷卻速度可達400K/s以上），使軋件迅速通過奧氏體相區，保持軋件奧氏體硬化狀態；在奧氏體向鐵素體相變的動態相變點終止冷卻；后續依照材料組織和性能的需要進行冷卻路徑的控制（圖1-2）。

新一代TMCP技術要點：在現代連軋過程提供加工硬化奧氏體的基礎上，以超快速冷卻為核心，對軋后硬化奧氏體進行超快速冷卻，并在動態相變點終止冷卻，隨后進行冷卻路徑控制。利用這項技術可獲得具有優良性能、節省資源和能源、利于循環利用的鋼鐵材料。

經過人類不懈地努力和創造，在鋼鐵材料科技上取得巨大進步。先進的冶金生產工藝技術（如鐵水脫硫、超高功率電爐冶煉、爐外精煉、連鑄、控軋控冷、微合金化等）又為鋼鐵材料的設計和生產提供了技術基礎。而計算機等技術發展也為鋼鐵材料設計和生產提供了先進的控制手段。縱觀鋼鐵材料的發展史，人們不難得出一個結論：根據當前的理論和技術發展，鋼鐵材料本身在21世紀還會發生重要變革，最終將會導致鋼鐵材料的性能顯著提高，并將對整個社會發展起到巨大的推動作用。

1.1.4　新一代鋼鐵材料（超級鋼）在我國的研發

微合金化（指添加量很少，一般不超過0.2％，有時甚至低于0.001％，即能對鋼的某一性能或某些性能產生顯著影響的合金元素）與TMCP技術相結合，發展了高強高韌鋼，成為鋼鐵材料近30年最活躍的領域。現行的TMCP技術是將含Nb、V、Ti等微量元素的低碳鋼，在高溫奧氏體再結晶區逐級變形，反復再結晶細化奧氏體晶粒，隨后控制冷卻導致鐵素體晶粒細化；或者在奧氏體未再結晶區，獲得熱變形奧氏體，增加晶內形變帶等相變形核的部位，再結合軋后控冷，促進鐵素體晶粒細化，可將鐵素體晶粒細化至10μm以內。為獲得超細晶組織、提高鋼的強韌性，對不同類型的鋼研究開發了相應的理論和控制技術。

（1）超細晶鐵素體-珠光體鋼

通過形變誘導（強化）鐵素體相變和鐵素體動態再結晶細化晶粒，提高強韌性。

①形變誘導鐵素體相變　對低碳鋼或低（微）合金鋼在較低溫度（靠近相變點A3）以較大的積累變形量和較高的應變速率進行熱變形時，其變形能不能完全釋放，使系統的自由能變化，成為相變驅動力，在形變過程中誘發奧氏體→鐵素體相變。該相變以形核不飽和機制進行，使晶粒細化，稱為形變誘導鐵素體相變（DIFT）。

②形變強化鐵素體相變　對低碳鋼或低（微）合金鋼的過冷奧氏體（在A3溫度以下）以與DIFT其他條件相同的情況下進行變形時，其相變驅動力進一步增加，形成的鐵素體晶粒更細，稱作形變強化強化相變（DEFT）。

③低碳碳素鋼的奧氏體形態　為產生形變誘導（強化）鐵素體相變，必須控制奧氏體的組織形態。形變使奧氏體呈“薄餅狀”，晶內產生大量晶體缺陷，將部分形變能儲存為相變驅動力。研究表明，對低碳鋼隨形變速率的提高和變形溫度的降低可使奧氏體只發生回復而不發生再結晶，即可通過未再結晶控軋和DIFT細化鐵素體晶粒。

④鐵素體動態再結晶　奧氏體轉變為鐵素體后，由于第二相滲碳體的存在，在與第二相交界處往往受不均勻變形，具較高畸變能，成為鐵素體動態再結晶形核的有利部位。鐵素體動態再結晶使晶粒進一步細化。

上述理論是對傳統TMCP理論的發展。原TMCP的奧氏體→鐵素體相變發生在形變后的冷卻過程中，而新型TMCP是發生在形變過程中。

（2）超細組織低（超低）碳貝氏體（B）鋼

為了開發強度高于600MPa的經濟型低合金鋼，人們研究了低（超低）碳貝氏體鋼的組織超細化理論與控制技術。通過研究發展了TMCP技術，在工藝中增加了一個弛豫控制階段。在此階段，在變形奧氏體中實現晶體缺陷的重新排列、組合，讓微合金元素的析出質點在特定部位析出，分割原奧氏體晶粒，從而控制隨后冷卻時的貝氏體相變在已被分割的小空間內進行，實現組織超細化。該技術稱作弛豫-析出-控制技術（RPC）。

①位錯胞狀結構（亞晶）的限制作用　鋼變形后，位錯密度很高。弛豫時，位錯重新排列，形成位錯墻，進而出現胞狀結構，較完整的亞晶，將原奧氏體晶粒分割為更細小的亞晶。

②微細析出相的釘扎作用　鋼中含有Nb、V、Ti、B等微量元素，在形變和弛豫過程，通過形變誘導析出細微析出相。析出相對位錯亞結構的釘扎作用是實現組織超細化的另一因素。

③針狀鐵素體的空間分割作用　形變、弛豫后在冷卻過程中，在較高溫度首先形成針狀鐵素體。針狀鐵素體將原奧氏體晶粒分割為更細小的空間。

RPC技術使中溫轉變組織細化的機制是：位錯亞結構的限制作用；微細析出質點的釘扎作用；針狀鐵素體的分割作用。三者結合使貝氏體組織超細化。這類鋼具有高強度、高韌性、低韌脆轉變溫度（TK）和良好的焊接性。

（3）無碳化物B/M復相鋼

合金結構鋼的強度高于1200MPa后，其延遲斷裂抗力低，韌性不足，疲勞極限分散。利用新的合金成分和微觀組織設計，使鋼形成無碳化物貝氏體/馬氏體+膜狀殘余奧氏體。用無碳化物貝氏體改善鋼的韌性，用膜狀殘余奧氏體提高鋼的抗延遲斷裂性能。此類鋼有如下特點。

①采用低碳Mn-Si-Cr合金系，保證鋼有一定淬透性，在空冷條件下，直徑小于20mm的棒材可獲得無碳化物貝氏體、少量馬氏體及膜狀殘余奧氏體，具有較高韌性。

②Si作為非碳化物形成元素，在發生貝氏體相變時阻止碳化物的析出。冷卻過程中，在貝氏體和馬氏體板條束界、板條界形成殘余奧氏體膜。膜狀殘余奧氏體使疲勞裂紋尖端鈍化，提高疲勞性能。奧氏體的析氫能力比鐵素體高1個數量級，明顯提高鋼的抗延遲斷裂性能。

③該鋼奧氏體化后自高溫冷卻時，在奧氏體晶粒內先形成無碳化物貝氏體，分割原奧氏體晶粒，使隨后形成的馬氏體細化，提高鋼的強韌性。

④含Si合金鋼有較高的回火抗力，適當提高回火溫度使鋼具有良好的綜合性能。

（4）耐延遲斷裂高強度M鋼

為改善高強度合金結構鋼的耐延遲斷裂性能，根據強化晶界、細化晶粒、控制氫陷阱的技術思路，在42CrMo鋼基礎上設計了中碳Cr-Mo-V-Nb鋼，其有如下特點。

①強化晶界　鋼中加入Mo和V，回火時析出Mo2C、VC，產生二次硬化，提高回火溫度而不降低鋼的強度。低溫回火時，碳化物沿奧氏體晶界呈連續薄膜狀析出。氫在晶界富集，導致高的延遲斷裂敏感性。高溫回火時晶界的碳化物聚集，呈不連續粒狀；同時晶內的碳化物析出增加，成為氫陷阱。因此，強化晶界，提高鋼的耐延遲斷裂性能。P、S在晶界偏聚，降低鋼的晶界結合力，可提高鋼的潔凈度以降低其危害。Mo可降低P在晶界的偏聚，強化晶界。

②細化晶粒　Nb和V的析出相釘扎晶界，阻止鋼淬火加熱時奧氏體晶粒長大，細化晶粒。增加晶界面積，相對提高鋼潔凈度，凈化晶界，提高鋼的強韌性和耐延遲斷裂性能。

③控制氫陷阱　隨回火溫度的提高，晶內析出碳化物，成為氫陷阱，把氫捕集在晶內的氫陷阱中，提高鋼的耐延遲斷裂性能。

總之，“高性能”是鋼鐵材料研發的永恒主題。對于不同的鋼類，高性能的含義不盡相同，所采用的基體組織類型也不同（如表1-2所示）。控制冶煉和凝固過程可得到高潔凈度和高均勻度的鋼坯（錠），通過加工過程中的相變、再結晶、固溶和析出等現象控制可獲得期待的高均勻度和精細組織，從而達到高性能的目標。所以，鋼鐵材料的生產工藝技術進步、物理金屬學和力學金屬學的發展促進了鋼鐵材料的發展，鋼鐵材料是不斷發展的新材料。現在使用的數千種鋼鐵材料都是在近代液態鋼鐵冶金技術出現以后，經過人們不斷研發而產生的。通過持續的技術研發活動，鋼鐵材料已經和必將不斷發展和更新，形成了以“高性能、低成本、易加工、高精度、綠色化”為特征的先進鋼鐵材料。