基于M3組織調(diào)控的第三代低合金鋼研發(fā)進(jìn)展

供稿|謝振家，尚成嘉 / XIE Zhen-jia, SHANG Cheng-jia

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隨著工程結(jié)構(gòu)用鋼朝著建筑設(shè)施的高層化、工程設(shè)備大型化、抗震耐火安全化以及材料減量經(jīng)濟(jì)化方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)、高塑、高韌性、低屈強(qiáng)比以及良好的焊接性能相結(jié)合的高性能結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品已經(jīng)成為人們所關(guān)心的熱點(diǎn)。北京科技大學(xué)尚成嘉教授課題組創(chuàng)新性地提出了多步熱處理法，成功在低碳低合金鋼中實(shí)現(xiàn)了“多相組織、亞穩(wěn)奧氏體、多尺度析出”(M3)組織，開(kāi)發(fā)了500 MPa級(jí)以上高強(qiáng)度、高塑性、高韌性的第三代低合金鋼。文章梳理了第三代低合金鋼組織控制思路，對(duì)比分析了第三代低合金鋼與傳統(tǒng)鋼鐵材料的力學(xué)性能，著重概述了M3組織形成機(jī)理(尤其在亞穩(wěn)奧氏體調(diào)控機(jī)理)及組織性能關(guān)系。最后對(duì)第三代低合金鋼應(yīng)用前景及未來(lái)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

低合金鋼鐵材料由于兼具高強(qiáng)度、高塑性、高韌性、良好的可焊接性及經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、管線(xiàn)、船舶與海洋工程、汽車(chē)等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及資源與環(huán)境問(wèn)題的凸現(xiàn)，工程結(jié)構(gòu)用鋼朝著建筑設(shè)施的高層化、工程設(shè)備大型化、抗震耐火安全化以及材料減量經(jīng)濟(jì)化方向發(fā)展。人們對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的性能提出了更高的挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)、高塑、高韌性、低屈強(qiáng)比以及良好的焊接性能相結(jié)合的高性能結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品已經(jīng)成為人們所關(guān)心的熱點(diǎn)。

眾所周知，傳統(tǒng)鋼鐵材料隨著強(qiáng)度的提高，其韌塑性則大幅降低。傳統(tǒng)C-Mn系列的鐵素體/珠光體型鋼(第一代低合金鋼)具有很好的組織穩(wěn)定性而得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也由于這類(lèi)鋼中鐵素體內(nèi)部結(jié)構(gòu)單純，鋼的強(qiáng)度較低，強(qiáng)度主要來(lái)自較高的碳含量，然而一味地提高C含量會(huì)導(dǎo)致焊接性能以及低溫沖擊韌性的惡化。低碳貝氏體/馬氏體型第二代低合金鋼的屈服強(qiáng)度在500 MPa以上，且由于晶粒細(xì)化而兼具良好的韌性。但這類(lèi)由單一的低碳貝氏體/馬氏體組織構(gòu)成的低合金高強(qiáng)鋼雖然具有較高的強(qiáng)韌性，但是其塑性低、屈強(qiáng)比高，導(dǎo)致這類(lèi)鋼的塑性和抗大變形安全性能受到局限。2010年，董瀚教授提出“多相、亞穩(wěn)、多尺度”(M3)組織調(diào)控概念，以期解決困擾鋼鐵材料領(lǐng)域多年的強(qiáng)度與韌塑性倒置的科學(xué)問(wèn)題。

北京科技大學(xué)尚成嘉教授課題組創(chuàng)新性地提出了多步熱處理法，成功在低碳低合金鋼中實(shí)現(xiàn)了“多相組織、亞穩(wěn)奧氏體、多尺度析出”(M3)組織，開(kāi)發(fā)了500 MPa級(jí)以上高強(qiáng)度、高塑性、高韌性的第三代低合金鋼，在知名學(xué)術(shù)期刊Int. J. Miner. Metall. Mater.2020年第27卷第1期上發(fā)表了題為“Recent progress in third-generation low alloy steels developed under M3microstructure control”的綜述論文。文章梳理了第三代低合金鋼組織控制思路，對(duì)比分析了第三代低合金鋼與傳統(tǒng)鋼鐵材料的力學(xué)性能，著重概述了M3組織形成機(jī)理(尤其在亞穩(wěn)奧氏體調(diào)控機(jī)理)及組織性能關(guān)系。最后對(duì)第三代低合金鋼應(yīng)用前景及未來(lái)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

海洋工程用鋼研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

海洋工程用鋼團(tuán)隊(duì)共有教授4名、副教授1名、助理研究員3名、海外客座教授3名。團(tuán)隊(duì)主要研究海洋平臺(tái)、近海設(shè)施、跨海大橋、海底管線(xiàn)、極地設(shè)施、特種船舶等高性能鋼鐵材料相關(guān)的設(shè)計(jì)理論、制備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用性能。長(zhǎng)期以來(lái)承擔(dān)“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國(guó)家科技支撐、基礎(chǔ)材料國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)項(xiàng)目(課題)以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，同時(shí)與國(guó)內(nèi)外企業(yè)開(kāi)展了長(zhǎng)期持久的合作研究，其中包括荷蘭皇家殼牌公司、巴西CBMM公司以及國(guó)內(nèi)主要大型鋼鐵企業(yè)。在海洋平臺(tái)用鋼、特種船舶用鋼、高強(qiáng)度耐大氣腐蝕橋梁鋼、耐海洋大氣腐蝕用鋼、海洋石油開(kāi)采用膨脹套管、超高強(qiáng)度油井管、油氣輸送高性能管線(xiàn)鋼及鋼管、抗震、耐火、耐候建筑結(jié)構(gòu)用鋼等領(lǐng)域開(kāi)展了長(zhǎng)期的基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、冶金科技進(jìn)步獎(jiǎng)等省部級(jí)科技獎(jiǎng)11項(xiàng)、英國(guó)Institute of Materials，Minerals and Mining(IOM3) “Charles Hatchett”獎(jiǎng)、中信鈮科學(xué)發(fā)展獎(jiǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人尚成嘉教授，鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心首席科學(xué)家，博士生導(dǎo)師，2017年被評(píng)為英國(guó)材料、礦業(yè)與礦物學(xué)會(huì)會(huì)士(IOM3 Fellow)。目前主要從事高性能海洋工程用鋼、高性能石油鉆采與儲(chǔ)運(yùn)用鋼、高性能橋梁鋼等國(guó)家重大需求新一代鋼鐵材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究?，F(xiàn)任中國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)分會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)外事委員會(huì)副主任委員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事、中國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)腐蝕與退化分會(huì)副主席、環(huán)太平洋先進(jìn)材料與工藝國(guó)際會(huì)議中方技術(shù)總代表。任Int. J. Miner. Metall.Mater.、鋼鐵研究學(xué)報(bào)、J. of Iron & Steel Res. Int.、鋼鐵、材料熱處理學(xué)報(bào)、金屬熱處理、焊管等雜志編委。2014—2017年擔(dān)任中國(guó)工程院海洋材料咨詢(xún)項(xiàng)目鋼鐵組副組長(zhǎng)，作為副主編編寫(xiě)《海洋工程用鋼》專(zhuān)著。在Acta Materialia，Scripta Materialia，Int. J. Miner. Metall. Mater.，金屬學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文200余篇。

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Zhen-jia Xie，Cheng-jia Shang，Xue-lin Wang，Xue-min Wang，Gang Han，and Raja-devesh-kumar Misra. Recent progress in third-generation low alloy steels developed under M3microstructure control.Int J Miner Metall Mater，2020，27(1): 1

https://doi.org/10.1007/s12613-019-1939-x