欧洲先进结构钢研究现状与前景
2003-08-11 00:00 来源： 我的钢铁
一.汽车用钢板
钢板面临的技术挑战主要是更好的成形性。耐蚀性、表面质量、更高的强度、薄规格、低重量。
超轻钢车体（ULSAB）计划雄心勃勃的目标是生产更安全更轻更结实的轿车车体，在欧洲大部分钢铁企业参与下已经取得了可观的成果，实现了3个目标：
＊设计更安全更结实的轿车车体
＊降低汽车重量
＊和现有车体保持同样甚至更低的成本
计划的成功主要有三个决定性因素：创新的合金设计思想，材料选择和汽车制造技术。在材料方面，最重要的变化是用屈服强度（YS）在210MPa到350MPa的高强度钢替代低碳钢。其中有一半的钢屈服强度是350MPa。这些钢中既有热轧钢板又有冷轧钢板，厚度从0.65mm到2mm。另外，还使用了可变形元件，这些元件按照设计的渐进塌陷方式吸收撞击能，加工硬化等性能也满足要求。除了选用正确的钢料分散撞击功、保证较高刚性设计外，ULSAB还采用了坯料预裁焊件、复合钢板、液压成形、激光拼焊技术。很多技术已经非常成熟，成为生产汽车的常规工艺。钢板液压成形技术将使板材制作部件，特别是难成形钢种生产的部件重量大大降低。
应用上述技术的VDEhPorsche开发计划使波尔舍（Porsche）928车型重量降低了20%。
高强度钢在西欧的消费量在日益增长，根据ULSAB计划提供的数据，新车用钢的50%以上将采用多相钢（其中22%抗拉强度在500MPa到800MPa，30%抗拉强度在700MPa到1000MPa）。对热轧卷板，全部使用了以下创新技术：
＊超快冷技术生产的多相高强度钢
＊相变诱导塑性钢（TRIP）
1.超快冷多相高强钢
大部份高强度级别钢除高强度外还需要有一定的冷成形性。因此，钢中含有塑性的铁素体加贝氏体、马氏体和残留奥氏体的混合显微组织。
出料辊道上的冷却控制及随后相变对生产多相钢是至关重要的。ECSC的研究工作开发成功了新的冷却和轧制工艺。
CRM对采用水枕冷却的超快冷却方式研究表明，这种冷却方式比层流冷却方式热传导系数更高，4mm钢板的冷速可以达到300℃／S。一般超快冷却的长度较短（7－12m），比水流量约1000m2／h，可以直接安装在终轧机架之后，也可以安装在卷取机之前。
前超快冷模式用于促进变形奥氏体中形成的铁素体晶粒细化、提高沉淀硬化效果，可在相对较高的温度下卷取。非常高的冷却速度可以抑制铁素体形成，促进针状铁素体和／或贝氏体的形成，特别是在低卷取温度时效果更明显。
后超快冷模式和常规层流冷却结合用来生产低成本多相高强度钢：轧后钢带冷却分成两个阶段，先是层流冷却，冷速15－20℃/a；随后超快终冷，冷速300t／S。根据超快冷和卷取开始温度的不同，可以得到各种不同的显微组织。第一阶段的慢速冷却，促进韧性的铁素体析出并使未转变奥氏体富碳，既可以得到铁素体加贝氏体组织，也可得到铁素体加马氏体组织（双相钢）。每种相的体积分数可通过冷却曲线的变化进行调整。和常规铁素体加贝氏体钢相比，后超快冷钢的强度稍低一点点，但塑性更好。先层流冷却后超快冷的双相钢（DP）可得到高抗拉强度（690－850MPa），低于0.7的屈强比，保持了良好的塑性。
为了在热轧钢中得到非常细的双相组织，改善塑性，可以利用奥氏体中的固溶Nb加上奥氏体的动态再结晶细化晶粒。
关键是在未再结晶温度（TNRX）以下温度和相变温度（Ar3）以上温度区间终轧，通过加Nb、mn扩大TNRX和Ar3之间的温度窗口范围，使得工业化生产的轧制制度有可操作性和可重复性。为了得到平均晶粒尺寸为2um的非常细的多相组织，必须加人足够的Nb3，以避免道次间发生静态再结晶。冷却速度不能太高以保证碳在残留奥氏体中有足够的富集，并使其在随后冷到Ms以下温度时转变成马氏体。
这样可以得到屈服强度450MPa，抗拉强度750MPa，延伸率23%的性能指标。由于连续屈服，可以得到0.6的屈强比。
2.TRIP钢
TRIP钢利用了相变塑性的作用：残留奥氏体在应变的作用下部分转变为马氏体，避免了颈缩造成的过早断裂，提高了钢的应变硬化能力。这些钢既可以用冷轧加退火工艺生产也可以用热轧工艺生产。
最近，为更好地了解成分和工艺波动对高强度TRIP钢的生产的影响，Rautaruuki，Corus和CRM等多家单位共同参与了一个ECSC研究项目。研究的最终目的是在保持钢的塑性、成形性、韧性和焊接性能等综合性能的同时提高钢的强度。
这项工作包括一系列的热膨胀试验，实验室轧制试验，各种有前景钢的全面试生产，并对新材料的显微组织、变形行为和焊接性能进行了仔细的研究与评估。
P和Nb的加人对在工业化生产工艺条件下生成残留奥氏体很有效，钢中含P促进了铁素体相变，因此适合于出料辊较短的轧制线。对含P钢，推荐采用低终轧温度（830－860℃）和最少仍的中间空冷时间，400t温度卷取。
TRIP钢中，残留奥氏体和变形性能之间没有一个简单的关系式，残留奥氏体的稳定性也非常重要。Rautaruuk工业化生产的几种热轧钢带的强度和塑性性能达到了抗拉强度乘延伸率大于20000的指标。TRIP钢的成形性能几乎比同样屈服强度的HSLA钢高一倍。
点焊和激光焊性能也证明可以满足要求。但是不推荐使用气体保护焊（MIG／MAG）。
细晶粒双相钢和TRIP钢试验的结果令人鼓舞，但是作为工业化大批量生产，轧制技术和冷却技术还需继续改进，以得到低成本条件下力学性能的高可重复性。
二.建筑及基础设施用钢
在金属结构行业（中低层建筑）一些预制件和混合结构的开发产生了适合钢的应用的市场。但是，更多的注意力放在了建筑或建筑物某些部分的总体性能而不是材料本身的性能上。钢的应用可能更多地在于轻体框架结构。
在高层建筑应用领域，已经生产了高强度工字钢梁和其他结构钢。ProfilArbed（现在的Arcelor集团）已经制定了生产热轧型钢和钢梁的工艺路线，这些钢除了强度指标外，缺口冲击功和焊接性能指标也非常重要。用"连铸再生钢"生产的高质量结构钢梁翼缘最大厚度70mm，腹板高1000mm。采用的工艺路线是电弧炉冶炼、连铸钢梁坯料、热装料、控制轧制、淬火自回火（QST）。
冶金设计思路是降低碳含量、提高锰含量，加AI和Nb细化晶粒，加钒沉淀强化，降硫提高厚度方向的韧性。通过优化成分可以实现无预热埋弧接缝焊。在大型基础设施领域，如悬索桥建设上，需要制作缆绳的新型高性能钢丝。最新的例子是刚刚获得批准的意大利Messina大桥项目，这座悬索桥跨越长达5300m的西西里海峡。日本正在进行相应的研究，以开发一种强度远高于现有材料的碳钢钢丝（大于1800MPa）。
CSM、IspatHSW、VAD、CEIT通过合作项目，已经制定出了适合于生产高强度、直径4－7mm的拉伸钢丝的高碳（0.8%－0.82%C）、大直径（13mm）线杆的指导性意见。
新品种钢的设计主要是为了适应用连铸方坯并通过线杆在线控冷以较低成本生产这类产品。
通过控制Cr、V的加入量，使线杆的强度比普通钢种（0.8C－0.7Mn）有明显提高。在0.8C－0.7Mn－0.25Cr和0.8C－O.6Mno-0.2Cr-0.06V钢中获得了最佳的细片间距珠光体组织。通过提高线杆在1000℃到800℃温度区间的冷却速度，减少了形成渗碳体的危险。另一方面，可以加入0.6%－0.7%的Si抑制未转变奥氏体晶界上渗碳体的析出。
三.管线钢
西方国家和前苏联的内陆管网建设是世界范围迎接这项挑战的动力。在不到20年的时间里，欧洲、美洲和日本已经从开始的半脆性、低韧塑性的X52级管线钢走向可以批量生产高韧性、高可焊性的X80级大直径管线。
除了一些涉及基础微观机理的内容外，欧洲的管线钢冶金设计和生产大部份是由各管材生产厂独立研发的结果。然而，最终的解决方案却基本一致：利用新的热轧和快速低温冷却控制工艺获得低碳针状铁素体。这种显微组织在钢有合适的洁净度的条件下，可以有效地满足强度、韧性和焊接性能方面最严格的技术要求。
众所周知，高压管线安全经济运行最难解决的问题实际上是塑性裂纹扩展的控制（DFP）。事实上，在极偶然的局部失效事件中，溢出的气体可能会产生使初始的剪切裂纹纵向扩展的条件。扩展取决于逸出气体产生的裂纹扩展动力和管体材料抗力的平衡。正如很早前由Battelle显示的那样，可以通过管线钢的专门冶金设计，使钢具有合适的裂纹扩展阻力，避免这种现象。没有这些措施，要么这些管线没法铺设，要么需要在管线上每隔一定间隔加一个裂纹阻断装置，这样成本可能就要增加。
使用X100级管线的优势主要是，管线运输仍是未来世界范围内油气（能源）最经济的运输方法，尤其是目前大量油气生产和消费国远离海洋的格局情况下更是如此。在未来可能建设的长距离管网中可以看出，高压传输比其他方案更受青睐。这样必然要求使用非常高强度级别钢，以降低成本，减少出现问题的可能性。
CSM后来在高强度管线上又做了两个项目，用的钢是EUROPIPE提供的X100级钢。
实际上这两个项目一个是1997年到2000年的研究项目，另一个是紧随其后的2000年到2003年的一个示范项目。这两个项目的目标之一是使X100级钢的断裂行为得到认证，另一个目标是证实在现在的现场铺设技术条件可以铺设这个级别的管子。采用低碳、高冷速、低终冷温度的TMCP工艺是最佳方案。在这种条件下，极度压扁的奥氏体晶粒中得到了非常细的针状铁素体组织。
这一结果与X80的开发思路是一致的，即在保持极好的强度和断裂性能的综合平衡的同时还要有良好的可焊性。
第一个研究项目集中在外径56英寸X19.lmm和外径36英寸X16mm管子的两个全面试验。得出的结论是，X100级管在极为恶劣的环境下仍能阻止裂纹扩展，但是这时要求的以夏比冲击功表示的韧性值已达到钢铁生产的实际极限值（260J）。
CSM完成开发的新的三维动态断裂项目也可以描述裂纹顶端张角（CTOA）的瞬时情况一非稳态扩展、爆裂方式、裂纹阻断。CTOA是一个真正的有关微观区域断裂机理的显微组织参数。材料的特征CTOA可以通过很多现有的实验室技术进行测定，其中包括一些简化的技术手段。是一个真正需要优化的参数。
换句话说，对高性能海洋管线而言，冶金工作者的任务就是要对生产过程的每个步骤，从钢水的精炼处理到适当的连铸工艺及合理的TMCP工艺进行熟练地控制。整个控制的目标是在洁净的基体上沿厚度方向得到均匀的组织。
这些厚规格中等强度钢的冶金学特点和耐酸气钢相似，如TMCP工艺最终阶段低冷速可能引起的碳、锰、磷偏析的控制，无夹杂高洁净度钢固有的高塑性特点。这些特点未在管材中发现不良影响，也不必设法改进。
钢板面临的技术挑战主要是更好的成形性。耐蚀性、表面质量、更高的强度、薄规格、低重量。
超轻钢车体（ULSAB）计划雄心勃勃的目标是生产更安全更轻更结实的轿车车体，在欧洲大部分钢铁企业参与下已经取得了可观的成果，实现了3个目标：
＊设计更安全更结实的轿车车体
＊降低汽车重量
＊和现有车体保持同样甚至更低的成本
计划的成功主要有三个决定性因素：创新的合金设计思想，材料选择和汽车制造技术。在材料方面，最重要的变化是用屈服强度（YS）在210MPa到350MPa的高强度钢替代低碳钢。其中有一半的钢屈服强度是350MPa。这些钢中既有热轧钢板又有冷轧钢板，厚度从0.65mm到2mm。另外，还使用了可变形元件，这些元件按照设计的渐进塌陷方式吸收撞击能，加工硬化等性能也满足要求。除了选用正确的钢料分散撞击功、保证较高刚性设计外，ULSAB还采用了坯料预裁焊件、复合钢板、液压成形、激光拼焊技术。很多技术已经非常成熟，成为生产汽车的常规工艺。钢板液压成形技术将使板材制作部件，特别是难成形钢种生产的部件重量大大降低。
应用上述技术的VDEhPorsche开发计划使波尔舍（Porsche）928车型重量降低了20%。
高强度钢在西欧的消费量在日益增长，根据ULSAB计划提供的数据，新车用钢的50%以上将采用多相钢（其中22%抗拉强度在500MPa到800MPa，30%抗拉强度在700MPa到1000MPa）。对热轧卷板，全部使用了以下创新技术：
＊超快冷技术生产的多相高强度钢
＊相变诱导塑性钢（TRIP）
1.超快冷多相高强钢
大部份高强度级别钢除高强度外还需要有一定的冷成形性。因此，钢中含有塑性的铁素体加贝氏体、马氏体和残留奥氏体的混合显微组织。
出料辊道上的冷却控制及随后相变对生产多相钢是至关重要的。ECSC的研究工作开发成功了新的冷却和轧制工艺。
CRM对采用水枕冷却的超快冷却方式研究表明，这种冷却方式比层流冷却方式热传导系数更高，4mm钢板的冷速可以达到300℃／S。一般超快冷却的长度较短（7－12m），比水流量约1000m2／h，可以直接安装在终轧机架之后，也可以安装在卷取机之前。
前超快冷模式用于促进变形奥氏体中形成的铁素体晶粒细化、提高沉淀硬化效果，可在相对较高的温度下卷取。非常高的冷却速度可以抑制铁素体形成，促进针状铁素体和／或贝氏体的形成，特别是在低卷取温度时效果更明显。
后超快冷模式和常规层流冷却结合用来生产低成本多相高强度钢：轧后钢带冷却分成两个阶段，先是层流冷却，冷速15－20℃/a；随后超快终冷，冷速300t／S。根据超快冷和卷取开始温度的不同，可以得到各种不同的显微组织。第一阶段的慢速冷却，促进韧性的铁素体析出并使未转变奥氏体富碳，既可以得到铁素体加贝氏体组织，也可得到铁素体加马氏体组织（双相钢）。每种相的体积分数可通过冷却曲线的变化进行调整。和常规铁素体加贝氏体钢相比，后超快冷钢的强度稍低一点点，但塑性更好。先层流冷却后超快冷的双相钢（DP）可得到高抗拉强度（690－850MPa），低于0.7的屈强比，保持了良好的塑性。
为了在热轧钢中得到非常细的双相组织，改善塑性，可以利用奥氏体中的固溶Nb加上奥氏体的动态再结晶细化晶粒。
关键是在未再结晶温度（TNRX）以下温度和相变温度（Ar3）以上温度区间终轧，通过加Nb、mn扩大TNRX和Ar3之间的温度窗口范围，使得工业化生产的轧制制度有可操作性和可重复性。为了得到平均晶粒尺寸为2um的非常细的多相组织，必须加人足够的Nb3，以避免道次间发生静态再结晶。冷却速度不能太高以保证碳在残留奥氏体中有足够的富集，并使其在随后冷到Ms以下温度时转变成马氏体。
这样可以得到屈服强度450MPa，抗拉强度750MPa，延伸率23%的性能指标。由于连续屈服，可以得到0.6的屈强比。
2.TRIP钢
TRIP钢利用了相变塑性的作用：残留奥氏体在应变的作用下部分转变为马氏体，避免了颈缩造成的过早断裂，提高了钢的应变硬化能力。这些钢既可以用冷轧加退火工艺生产也可以用热轧工艺生产。
最近，为更好地了解成分和工艺波动对高强度TRIP钢的生产的影响，Rautaruuki，Corus和CRM等多家单位共同参与了一个ECSC研究项目。研究的最终目的是在保持钢的塑性、成形性、韧性和焊接性能等综合性能的同时提高钢的强度。
这项工作包括一系列的热膨胀试验，实验室轧制试验，各种有前景钢的全面试生产，并对新材料的显微组织、变形行为和焊接性能进行了仔细的研究与评估。
P和Nb的加人对在工业化生产工艺条件下生成残留奥氏体很有效，钢中含P促进了铁素体相变，因此适合于出料辊较短的轧制线。对含P钢，推荐采用低终轧温度（830－860℃）和最少仍的中间空冷时间，400t温度卷取。
TRIP钢中，残留奥氏体和变形性能之间没有一个简单的关系式，残留奥氏体的稳定性也非常重要。Rautaruuk工业化生产的几种热轧钢带的强度和塑性性能达到了抗拉强度乘延伸率大于20000的指标。TRIP钢的成形性能几乎比同样屈服强度的HSLA钢高一倍。
点焊和激光焊性能也证明可以满足要求。但是不推荐使用气体保护焊（MIG／MAG）。
细晶粒双相钢和TRIP钢试验的结果令人鼓舞，但是作为工业化大批量生产，轧制技术和冷却技术还需继续改进，以得到低成本条件下力学性能的高可重复性。
二.建筑及基础设施用钢
在金属结构行业（中低层建筑）一些预制件和混合结构的开发产生了适合钢的应用的市场。但是，更多的注意力放在了建筑或建筑物某些部分的总体性能而不是材料本身的性能上。钢的应用可能更多地在于轻体框架结构。
在高层建筑应用领域，已经生产了高强度工字钢梁和其他结构钢。ProfilArbed（现在的Arcelor集团）已经制定了生产热轧型钢和钢梁的工艺路线，这些钢除了强度指标外，缺口冲击功和焊接性能指标也非常重要。用"连铸再生钢"生产的高质量结构钢梁翼缘最大厚度70mm，腹板高1000mm。采用的工艺路线是电弧炉冶炼、连铸钢梁坯料、热装料、控制轧制、淬火自回火（QST）。
冶金设计思路是降低碳含量、提高锰含量，加AI和Nb细化晶粒，加钒沉淀强化，降硫提高厚度方向的韧性。通过优化成分可以实现无预热埋弧接缝焊。在大型基础设施领域，如悬索桥建设上，需要制作缆绳的新型高性能钢丝。最新的例子是刚刚获得批准的意大利Messina大桥项目，这座悬索桥跨越长达5300m的西西里海峡。日本正在进行相应的研究，以开发一种强度远高于现有材料的碳钢钢丝（大于1800MPa）。
CSM、IspatHSW、VAD、CEIT通过合作项目，已经制定出了适合于生产高强度、直径4－7mm的拉伸钢丝的高碳（0.8%－0.82%C）、大直径（13mm）线杆的指导性意见。
新品种钢的设计主要是为了适应用连铸方坯并通过线杆在线控冷以较低成本生产这类产品。
通过控制Cr、V的加入量，使线杆的强度比普通钢种（0.8C－0.7Mn）有明显提高。在0.8C－0.7Mn－0.25Cr和0.8C－O.6Mno-0.2Cr-0.06V钢中获得了最佳的细片间距珠光体组织。通过提高线杆在1000℃到800℃温度区间的冷却速度，减少了形成渗碳体的危险。另一方面，可以加入0.6%－0.7%的Si抑制未转变奥氏体晶界上渗碳体的析出。
三.管线钢
西方国家和前苏联的内陆管网建设是世界范围迎接这项挑战的动力。在不到20年的时间里，欧洲、美洲和日本已经从开始的半脆性、低韧塑性的X52级管线钢走向可以批量生产高韧性、高可焊性的X80级大直径管线。
除了一些涉及基础微观机理的内容外，欧洲的管线钢冶金设计和生产大部份是由各管材生产厂独立研发的结果。然而，最终的解决方案却基本一致：利用新的热轧和快速低温冷却控制工艺获得低碳针状铁素体。这种显微组织在钢有合适的洁净度的条件下，可以有效地满足强度、韧性和焊接性能方面最严格的技术要求。
众所周知，高压管线安全经济运行最难解决的问题实际上是塑性裂纹扩展的控制（DFP）。事实上，在极偶然的局部失效事件中，溢出的气体可能会产生使初始的剪切裂纹纵向扩展的条件。扩展取决于逸出气体产生的裂纹扩展动力和管体材料抗力的平衡。正如很早前由Battelle显示的那样，可以通过管线钢的专门冶金设计，使钢具有合适的裂纹扩展阻力，避免这种现象。没有这些措施，要么这些管线没法铺设，要么需要在管线上每隔一定间隔加一个裂纹阻断装置，这样成本可能就要增加。
使用X100级管线的优势主要是，管线运输仍是未来世界范围内油气（能源）最经济的运输方法，尤其是目前大量油气生产和消费国远离海洋的格局情况下更是如此。在未来可能建设的长距离管网中可以看出，高压传输比其他方案更受青睐。这样必然要求使用非常高强度级别钢，以降低成本，减少出现问题的可能性。
CSM后来在高强度管线上又做了两个项目，用的钢是EUROPIPE提供的X100级钢。
实际上这两个项目一个是1997年到2000年的研究项目，另一个是紧随其后的2000年到2003年的一个示范项目。这两个项目的目标之一是使X100级钢的断裂行为得到认证，另一个目标是证实在现在的现场铺设技术条件可以铺设这个级别的管子。采用低碳、高冷速、低终冷温度的TMCP工艺是最佳方案。在这种条件下，极度压扁的奥氏体晶粒中得到了非常细的针状铁素体组织。
这一结果与X80的开发思路是一致的，即在保持极好的强度和断裂性能的综合平衡的同时还要有良好的可焊性。
第一个研究项目集中在外径56英寸X19.lmm和外径36英寸X16mm管子的两个全面试验。得出的结论是，X100级管在极为恶劣的环境下仍能阻止裂纹扩展，但是这时要求的以夏比冲击功表示的韧性值已达到钢铁生产的实际极限值（260J）。
CSM完成开发的新的三维动态断裂项目也可以描述裂纹顶端张角（CTOA）的瞬时情况一非稳态扩展、爆裂方式、裂纹阻断。CTOA是一个真正的有关微观区域断裂机理的显微组织参数。材料的特征CTOA可以通过很多现有的实验室技术进行测定，其中包括一些简化的技术手段。是一个真正需要优化的参数。
换句话说，对高性能海洋管线而言，冶金工作者的任务就是要对生产过程的每个步骤，从钢水的精炼处理到适当的连铸工艺及合理的TMCP工艺进行熟练地控制。整个控制的目标是在洁净的基体上沿厚度方向得到均匀的组织。
这些厚规格中等强度钢的冶金学特点和耐酸气钢相似，如TMCP工艺最终阶段低冷速可能引起的碳、锰、磷偏析的控制，无夹杂高洁净度钢固有的高塑性特点。这些特点未在管材中发现不良影响，也不必设法改进。
