钢的高性能化：基础理论与过程控制的持续精细化进步

钢铁的高性能化永远是主题，至少在目前看来没有终点。基础理论研究是高性能技术发展的基本出发点，控制缺陷强化作为提高钢铁强度的手段也永无止境。但钢铁的缺陷强化需要在保证洁净度和均匀度的条件下实现，至少局部偏析或夹杂物不能成为裂纹萌生和扩展的有利位置。这就需要钢铁生产中的冶炼、凝固、变形、热处理等工艺控制不断细化和改进。

以钢材强度的提高为例，已知钢材缺陷强化的极限是完整结晶铁的强度，可能达到13000MPa，但现在所能达到的缺陷强化的最高强度约为6000MPa（约为理论强度的一半）。工业制品的最高强度为子午线轮胎用冷拉细钢丝的4000MPa（主要是位错强化），板条钢的最高拉伸强度可达2200MPa（主要是马氏体强化和沉淀强化）。如果不考虑钢材可能出现的超塑性特性，钢材单轴拉伸断裂伸长率可在0-100%之间变化。测量韧性最简单的方法是冲击试验，目前低强度钢的低温缺口冲击韧性可接近500J。曹文全博士近期的研究表明，在抗拉强度1000MPa的条件下，缺口冲击韧性仍可接近500J。

众所周知，决定塑性的因素是裂纹形核和裂纹扩展。如果夹杂物在这两个过程中起着决定性的作用，那么钢的塑性就不能太高。韧性其实就是载荷-位移曲线下的积分面积，它与强度和塑性都有关。防止裂纹在弱界面处形成并沿弱界面扩展是提高强度、塑性甚至韧性的基本原则。这就是“多相、亚稳态、多尺度（M3）”组织调控理论的基础。搞清楚这一点很重要，至少可以为我们今后改善钢铁性能的工作提供一个简明的方法。研究结果表明，提高钢铁的塑性和韧性仍有很大的潜力。

钢铁生产过程中，需要控制夹杂物的类型、形状及分布，凝固组织的均匀性，以及室温固态组织的均匀性和形貌，以获得具有所需力学性能的钢。对强度、塑性和韧性的基础研究可以清楚地给出上述钢铁生产各工序的工艺技术控制要点。

但高性能钢的生产还需要配套适当的零件制造技术才能使其适用。除屈服强度200～300MPa的普通钢外（这是目前用量较大、范围较广的普通钢的强度，是广大钢材用户所熟悉和适应的性能），还需要考虑加工性能和服役性能。高性能建筑钢、汽车钢、造船钢、桥梁钢、轴承钢等均是如此。因此，要想使生产的钢材适用，就应加强钢材生产与零件制造的联系，特别是加工性能（冲压性能、焊接性、切削性能等）和服役性能（如抗疲劳性能、抗延迟断裂性能、耐腐蚀性能、耐热性能等）的评价与改进。高性能钢技术应包括钢材力学性能、加工性能、零件服役性能的协调高性能化。