高强度钢的发展趋势及应用前景：从理论到实践的探索

摘要：高强度一直是钢铁发展的主题，同时也要解决高强度带来的韧性与延展性降低、疲劳破坏、延迟断裂敏感性增加等问题。材料在获得高力学性能后，还需要在实际应用中具备良好的工艺适应性和服役性能，实现材料生产-零部件制造-服役评价的适宜技术匹配。本文以耐候钢、合金结构钢、紧固件钢、高氮奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢为案例，回顾并展望了耐蚀、高强度、高质量相关材料的发展趋势。近几年的实践充分证明，基础技术研究是创新的源泉，进一步从全产业链过程的组织与性能调控转向对合金化的重新认识与利用，或许是未来应该考虑的问题。

关键词：钢铁；高性能；理论；技术

公元前1500年前后，安纳托利亚高原的赫梯人首先开始人工炼铁，从此铁就从未离开过人类社会。以器物划分人类文明的铁器时代一直延续。工业革命开始后，人们对钢铁的需求不断增长，1820年法拉第开始研究合金钢，这被认为是合金钢研究的开端。19世纪，英国、美国开始大量进行合金钢研究。特别值得一提的是，19世纪下半叶大规模液态冶金技术的出现，进一步推动了钢铁材料的发展。19世纪中后期，英国出现了高锰钢、工具钢等合金钢品种。20世纪初，英国、德国、美国投入大量精力进行不锈钢的研究开发。20世纪上半叶，美国不断涌现合金钢品种。 20世纪下半叶，基于微合金化技术和连续退火技术的研究，低合金钢、汽车用钢层出不穷，管线钢可以达到X120级别，冷轧汽车用钢可以达到1300MPa级别，今天汽车上用到的很多钢材在30年前是不存在的，可以说钢铁是一个不断快速发展的新材料。

21世纪又过去了20年，未来21世纪我们的世界里会出现什么样的钢铁，是工业界和学术界都非常关注的问题。

从近代史来看，各大产钢国家都对钢铁材料的发展做出了卓越的贡献，19世纪中叶的英国、20世纪上半叶的美国、20世纪下半叶的日本等都开发了大量的钢铁材料，其中也包括一直都是钢铁强国的德国，对于连续十多年占据世界钢铁产量半壁江山的中国来说，这现在是必须认真考虑的问题。

提高强度是钢铁材料研发中一个永恒的主题，细化晶粒被认为是同时提高强度和韧性的唯一途径。20世纪60年代微合金化和控轧控冷技术的应用，使人们在晶粒细化方面走得越来越远，以至于20世纪90年代人们开始研究将铁素体晶粒细化到亚微米级的方法，希望将低合金钢的强度由400MPa提高一倍到800MPa。日本国家材料研究所（NIMS）的长井久司领导的Ultra Steel项目旨在将晶粒细化到1μm以下，随后韩国浦项钢铁公司（POSCO）周雄龙领导的HIPERS-21项目也有类似的目标。翁玉清院士带领我国钢铁研发团队从1997年国家科技部攀登预选项目到1998年至2003年国家科技部973项目（新一代钢铁材料重大基础研究），都以提高强度为目标。除了通过细晶粒将400MPa级微合金钢强度提高一倍至800MPa级外，与日韩不同的是，通过细晶粒将200MPa级普碳钢强度提高一倍。

翁玉清[1]研究工作最大的亮点是明确了微米级(4~10 μm)的铁素体+少量珠光体是工业上可接受的晶粒细化范围，此范围称为微晶钢。通过1999年提出的形变诱导铁素体相变(DIFT)技术可以很好地实现上述目标，目前，生产微晶钢已成为不少钢铁企业的常态。20世纪最后几年到21世纪初几年，是钢铁材料基础研究最活跃的几年，主要集中在东亚地区。21世纪前10年，翁玉清[2]采用边界强化(boundary)、夹杂物控制(inclusion)和氢陷阱引入(trapping)(BIT)等技术相结合，开发了长寿命高强度紧固件钢和弹簧钢技术，解决了高强度后出现的延迟断裂和疲劳失效等问题。

钢铁材料研究领域的学术活动也十分活跃，主要的国际学术会议有ISUGS和ICASS，这两个会议起源于中日韩政府项目，后来两个会议合并演变为ICAS，2010年至今仍在中国桂林召开，会议内容包括了更多的先进钢铁材料。钢铁材料的技术基础研究历来受到人们的关注。徐匡迪、干勇院士十分重视钢铁材料的技术发展，促成了2004年以钢铁研究总院为主体成立了先进钢铁材料技术国家工程研究中心，并开展了大量先进钢铁材料技术研发工作。以上海大学为基础组建的特殊钢国家重点实验室也在技术基础方面做了大量有益的工作。北京科技大学、东北大学、中科院金属研究所、上海大学、武汉科技大学等院校也对钢铁材料技术基础研究做出了重大贡献。同时，还要感谢钢铁企业和用钢企业的市场需求牵引。

到2010年，钢铁材料的技术基础研究进一步完善，一大批年轻有为的钢铁材料科学家积极参与其中。大家有一个共识，那就是钢铁工业不是夕阳产业。钢铁材料是我们社会最重要的原材料，是不断发展的新材料。2010年，钢铁研究总院提出了“多相、亚稳态、多尺度”的M3组织控制方法[3]，有效阻碍了裂纹的形成和扩展，形成了第三代先进高强度汽车用钢技术、高延性低合金钢技术、650℃铁素体耐热钢技术。近20年来，特殊钢领域的进展也十分显著，立足于提高质量、开发更高性能品种，聚集了多方力量开展高品质特殊钢的工作。

提高强度一直是钢铁材料发展的主题，需要解决伴随强度提高而来的寿命和加工性能的变化。未来需要关注钢铁材料的腐蚀、疲劳、磨损三大问题。当然钢铁材料的环境和人类适应性也是需要关注的问题。工业生产的钢的纯净度和均匀性已经达到很高的水平。原子半径小的C、N元素协同间隙固溶、脱溶；原子半径与Fe相近的元素的替代固溶；原子半径介于上述之间的P、B元素的存在；Cu、Ag元素以金属状态存在于基体中；原子半径大的La、Ce、Y元素在钢中可能出现界面偏析，所以是时候考虑这种多态合金化及其影响了。经过200年的合金化，我们终于走到了今天。在当前钢铁材料生产和应用的条件下，需要大家重视和重新审视钢铁材料的合金化问题。

提高钢的耐大气腐蚀性能

1.1 国内外耐大气腐蚀钢的研究

腐蚀是钢铁材料使用寿命中常见的失效问题，据不完全统计，每年因腐蚀造成的经济损失约占国内生产总值(GDP)的3%，因此，各国都非常重视耐大气腐蚀钢铁材料技术的开发。耐大气腐蚀钢(以下简称耐候钢)是指在钢中添加一定量的P、Cu、Cr、Ni等合金元素，以提高钢在大气环境中的耐腐蚀性能的钢。早在1900年，欧美科学家就发现Cu可以提高钢在大气中的耐腐蚀性能，1933年美国钢铁公司首先开发出了Cor-Ten系列耐候钢，主要用于制造铁路车辆[4]，Cor-Ten钢的力学性能比普通碳钢提高30%，耐腐蚀性能明显提高。1941年提出了第一个耐候钢标准(ASTM A-242)； 1968年，耐候钢根据P含量不同又细分为两类，Cor-Ten A（(0.07%～0.15%)P，质量分数，下同）和Cor-Ten B（≤0.04%P）[5，6]。1992年，美国联邦公路管理局（FHWA）、美国钢铁协会（AISI）和美国海军联合开发了用于桥梁建设的高强度钢（HPS）。HPS通过降低C、P和S含量来改善焊接性，通过提高Mn含量的上限来提高断裂韧性和屈服强度，同时形成保护锈层来提高耐腐蚀性能[7]。新日本制铁公司后来从美国钢铁公司引进Cor-Ten系列耐候钢，并开发了各种用途的耐候钢。此后，耐候钢在欧美、日本等国家的建筑设施、桥梁、车辆等领域得到了广泛的应用。

我国从20世纪60年代开始对耐候钢进行深入研究，开发了多种耐候钢，主要有：含Cu、Cr、Ni的低P耐候钢，含Cu、Cr、Ni的高P耐候钢（09CuPCrNi-A和09CuPCrNi-B），含Ti的高P耐候钢（09CuPTiRE-A和09CuPTiRE-B）和含V的高P耐候钢（08CuPVRE）。我国大量钢铁材料的腐蚀失效问题，特别是占钢总产量70%左右的普通碳钢，易发生腐蚀而导致服役失效，是亟待解决的重要问题。表1列举了20世纪耐候钢的发展历史。

表1 20世纪耐候钢的发展

1.2 已知的耐候钢耐腐蚀机理

钢铁在大气中的腐蚀涉及气相、液相和固相界面发生的多种化学、电化学和物理过程，其腐蚀主要为电化学腐蚀。大气环境中钢铁表面凝结一层薄液膜，同时伴随CO2、SO2、NOx、H2S、NH3等气体及盐离子（如Cl-）溶解于液膜中，形成电解质溶液，使阳极溶解，液膜中的H+或O2-在阴极被还原，促使电化学作用的发生。与不锈钢不同，耐候钢并不形成致密而极薄的钝化层，而是通过与周围介质的不断相互作用，经过一段时间后在钢铁表面形成一层稳定的锈层，大大延缓了钢铁的进一步腐蚀。

耐候钢具有良好的耐腐蚀性能，合金元素起着决定性的作用，主要体现在3个方面[8]：（1）合金元素降低锈层的导电性，影响锈层的相结构和类型；（2）加速钢的均匀溶解，促进Fe2+向Fe3+的转变，延缓锈层的结晶；（3）阻塞裂纹，减少相关缺陷。其中Cu是耐大气腐蚀钢中最有效的合金元素，其提高钢耐大气腐蚀性能的机理主要有两种观点：一是Cu能促进钢的阳极钝化，降低腐蚀速度；二是Cu在基体与锈层之间富集，形成以Cu和P为主成分的与基体紧密结合的保护层。P元素作为阳极去极化剂，与Cu协同加速钢的均匀溶解，促进Fe2+向Fe3+的转变，有利于形成均匀的锈层。 Cr元素能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。研究[9]认为，提高Cr含量有利于细化α-FeO​​OH，有效抑制腐蚀性Cl-的侵入；Ni元素使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性；Ti、V元素的加入更多的是为了形成TiN或V的碳氮化物，抑制晶粒长大，从而提高耐大气腐蚀钢的沉淀强化和细晶强化效果；稀土(RE)元素是极其活泼的元素，将其加入钢中，有利于净化钢液，细化枝晶，改变夹杂物的性质、形貌和分布，减少腐蚀源，从而改善钢的性能，还能有效改善P、S、Cu等溶质的非平衡分配系数。

耐候钢暴露在大气中时，最初会形成与普通碳钢相似的锈层。但经过3～5年的环境腐蚀后，靠近基材的锈层会继续溶解，进而析出，形成较为致密的非晶态氢氧化物[10]。最终，经过多年之后，耐大气腐蚀钢会形成稳定的锈层，其中起主要保护作用的内锈层为富含Cr、Cu、Ni、P等元素的α-FeO​​OH，如图1所示。

图1 耐候钢锈层变化示意图

图1耐候钢上形成稳定保护性锈层的过程示意图

钢铁材料耐大气腐蚀性能是一个非常复杂的问题，与介质、温度、时间、空间、地域等因素有关。目前的研究工作更多的是总结实验现象并在此基础上发展相关的耐候钢技术。在现象、规律、机理研究方面还有很多工作要做。

1.3 稀土在钢铁中的应用发展历史

稀土元素在钢铁中的应用一直是人们关注的焦点，也经历了起起伏伏，近些年人们又开始重视起来。稀土元素是指原子序数从57到71的15个镧系元素和化学性质相近的Sc、Y，共17种元素。由于稀土原子性质活泼，结合力强。一般来说，在钢中加入稀土，可以改善凝固组织，改变固态相变结构，形成无害的低熔点夹杂物，通过偏析强化界面，钝化表面锈层，从而显著提高钢的韧性、耐腐蚀性、抗疲劳性、耐热性等。稀土作为我国丰富的战略资源，开发利用了大量过剩的La、Ce、Y，需要找到大规模、大范围的应用。稀土在钢铁材料中的合理应用是当今的重要课题。

稀土元素的特殊性质决定了稀土耐候钢的发展进程。由于稀土与钢水中的O、S有很强的亲和力，自20世纪50年代以来，稀土就被用于钢水中脱氧和硫化物变质。20世纪70年代中后期，随着钙处理在钢中的日益普及，钙处理取代了稀土处理的脱氧和硫化物夹杂变质作用。随着稀土资源的合理利用和对我国现有稀土合金化的重新认识，近年来国内许多研究团队和钢铁企业重新将目光投向了稀土钢的技术开发。能否通过稀土合金化提高大宗、广泛分布的普通碳钢的耐大气腐蚀性能是一个具有挑战性的课题。如有可能，将有可能以较低的成本提高大量钢铁材料的耐腐蚀性能，形成具有中国特色的钢铁材料技术。

我们认为原子半径较大的稀土元素La、Ce、Y在钢中的赋存状态是值得关注的重要点。在目前的冶金状态下，稀土元素在钢中应以两种方式存在：（1）与氧、硫化合物结合形成复合夹杂物；（2）偏聚在晶界、相界、自由表面等界面处，如图2所示。与氧、硫化合物形成的稀土复合夹杂物可以提高材料的塑性和韧性，同时降低与基体的电极电位差，阻碍夹杂物引起的点蚀的发生。偏聚在晶界、相界处的稀土元素可以降低界面的自由能，减少由于界面能量高而引起的腐蚀。偏聚在自由表面的稀土元素将起到钝化锈层的作用。

图2 钢中稀土元素示意图

图2 钢中稀土元素赋存状态示意图（RE—稀土，GB—晶界）

1.4 稀土耐候钢研究进展

国内外几十年来的研究工作充分证明了稀土在钢中的有益作用。早期稀土通常作为脱氧剂加入钢水中，起到净化钢水的作用。随着钢的精炼和凝固方式的变化，现代钢中的O和S含量得到更好的控制。稀土在钢中的主要作用更倾向于改变夹杂物的性质和状态以及稀土微合金化。在Q235普通碳钢和09CuPCrNi耐候钢中添加一定量的稀土(Q235RE含14×10-6Ce和30×10-6La，09CuPCrNiRE含300×10-6Ce和110×10-6La)，对比发现，夹杂物的形貌和尺寸发生了明显变化[11]。稀土合金化前Q235和09CuPCrNi钢中的夹杂物主要为MnS和Al2O3，尺寸约为3μm，形状不规则，与基体的结合较松散，部分夹杂物脱落。稀土合金化后，夹杂物由不规则块状变为球状，夹杂物尺寸减小为0.5~1μm。稀土合金化后Q235和09CuPCrNi钢中的夹杂物分别转变为稀土氧硫化物和稀​​土硫化物。这说明在钢中加入适量的稀土元素后，夹杂物发生了变质，转变为尺寸较小的球状稀土夹杂物，其主要原因是稀土夹杂物的形成能较低[12]。

稀土夹杂物的转变明显提高钢的耐点蚀性能。刘等[11]研究中的阻抗图表明，稀土的加入使容抗弧半径增大。低频下的电感收缩现象表明钢处于点蚀诱导阶段，溶液中的阴离子SO4-在电极表面富集而引起点蚀。加入稀土后容抗弧半径明显增大，表明稀土元素提高了钢的耐点蚀性能。利用等效电路图拟合阻抗谱。结果表明，稀土合金化后电荷转移电阻明显改善，表明稀土能有效降低腐蚀倾向，阻碍电极表面双电层间电荷的转移，抑制电极反应的发生，从而提高耐蚀性能。钢中的非金属夹杂物是点蚀的主要诱发源，尤其是MnS和Al2O3夹杂物。 MnS夹杂物与钢基体之间存在腐蚀微电池。MnS是良好的导体，具有比Fe高的电极电位，在腐蚀体系中起阴极作用，而基体作为阳极会首先溶解。另一方面，夹杂物与基体交界处的氧化膜较薄弱，易被腐蚀离子破坏，使周围基体活化，优先溶解生成Fe2+。随后Fe2+水解生成H+，造成夹杂物与基体界面局部酸化，降低pH值，促进MnS夹杂物溶解，诱发点蚀的发生和扩展。钢中加入稀土后，较小球状的稀土夹杂物与基体的接触面积减少，进入活化状态的基体减少，活化面积减少，从而减弱夹杂物与基体之间的微电化学腐蚀，提高钢的抗点蚀性能[13]。

进行循环浸泡腐蚀试验，实验溶液为0.01 mol/L NaHSO3水溶液，实验温度为45 ℃，相对湿度为70%。循环浸泡循环时间为60 min，其中浸泡时间为12 min，暴露时间为48 min，腐蚀时间为24、48、96、144 h。由图3可知，稀土合金化后Q235和09CuPCrNi钢的腐蚀速率均明显降低，添加稀土后的Q235钢的腐蚀速率与未添加稀土的09CuPCrNi钢的腐蚀速率相当。只需在普通碳钢中添加少量稀土，就能达到与多种耐蚀元素的耐候钢相似的耐蚀效果，且稀土合金化后的Q235RE钢的经济成本明显低于09CuPCrNi钢。因此，稀土对提高钢的耐腐蚀性能的作用不容忽视。

图3 添加稀土前后Q235和09CuPCrNi钢试样144 h循环浸泡腐蚀形貌及腐蚀速率

图3 144 h干湿循环试验后的腐蚀形貌(a)及浸泡试验中的腐蚀速率(b)

实验结果表明，稀土显著提高钢的耐腐蚀性能，而稀土在钢中的赋存状态和痕量也至关重要。由于稀土与Fe原子半径差别很大，稀土作为表面活性剂主要富集在晶界，可以显著降低界面张力、晶界能和晶界迁移的驱动力。以Ce原子为例，如图4所示，在深冷条件下制备沿晶断口，利用俄歇电子探针（AES）从晶界向晶粒进行深溅射，观察RE特征峰的变化。结果表明，在溅射开始时（溅射时间为0和0.5 min时），断口表面由于轻微氧化，O含量较高，但未发现Ce原子的富集。当溅射时间为1 min时，O含量明显降低，说明溅射束已穿透氧化层到达晶界，出现了较为明显的Ce原子特征峰。随着溅射时间的继续增加，Ce原子的特征峰又消失，此时已经溅射到晶粒内部。因此证明Ce原子确实向晶界偏聚，而且偏聚层很薄。根据离子溅射参数可知，RE原子的偏聚层只有几个原子层厚。

图409 CuPCrNiRE钢中Ce元素的AES谱

图4 09CuPCrNiRE钢中Ce的AES谱

另外，对经过72 h盐雾试验后的锈层进行电子探针（EPMA）分析，发现稀土元素在锈层与基体界面处有聚集现象。这表明在耐大气腐蚀钢锈层形成过程中，稀土原子会迁移到锈层与基体界面，提高了锈层与基体之间的结合力，增强了锈层的致密性，阻碍了腐蚀性Cl-的进入，减缓了基体的进一步腐蚀。但稀土原子是否存在于锈层中或基体中，还有待进一步研究。

1.5 稀土耐候钢的应用前景

现有的基础理论研究和生产实践证明，稀土合金化是提高钢铁材料耐蚀性能的有效方法之一。稀土钢发展至今存在的主要问题是：稀土合金化机理尚待深入研究，相关技术质量控制方向不明确；稀土添加的有效方法和稀土合金元素的回收率不高。以上问题可能导致稀土元素在钢中不仅没有发挥有益作用，反而成为有害夹杂物，造成连续生产过程的中断。“稀土、稀土、混杂”是我国稀土耐候钢发展的真实写照。深入探究钢中稀土的赋存状态、痕迹及其作用机理已成为亟待解决的基础科学问题。只有探索新的稀土添加方法，保证钢中稀土元素的回收率不低于70%，保证生产过程连续平稳，才能形成工业化的稀土合金化技术。我们的研究表明，稀土与钢中的氧硫化物结合形成可变夹杂物，并在各种界面处偏析，改善界面性能。在目前先进的冶金生产工艺条件下，在科研人员的努力下，预计上述问题将很快得到解决。结合我国丰富的La、Ce、Y稀土资源，通过在普通碳钢中大量添加稀土合金，可以低成本提高钢材的耐大气腐蚀性能。这可以减少钢铁材料的使用量，形成具有中国特色的钢铁材料技术。

高强度合金结构钢

合金结构钢是合金钢和特殊钢中用量较大、分布广泛的一种材料，是制造机械零部件的重要原材料，广泛应用于机床、汽车、高铁、船舶、飞机、火箭、电站、兵器、海洋工程等装备的制造。

1820年，法拉第（Faraday）增加了Cu，Ni，CR和贵金属（RH，PD，OS，IR，PT和AU），试图模仿大马士革钢，尽管没有开发实用的钢，但Faraday被认为是在1869年的Beyur shorters the Archiss the Archims the Spans the Spans the Spans of Spans of Spans of Spans of Spans of 158。从1882年到1883年，哈德菲尔德（Hadfield）开发了锰钢（Hadfield Steel MN13），其成分已经使用，直到今天，他是在19世纪末，英国，法国，美国和其他型号的Inder Carel carry carry carry carry carry and carry care carry and nickel care，在第二次世界大战期间，由于合金资源的短缺，NI的使用减少了，CR，MN，MO，SI和V等元素在1940年代中期逐渐添加到合金结构钢中。

我的国家对中国人民共和国的建立相对较晚就开始了，当时我的国家没有自己的钢铁行业标准。在主要的战车装甲中，逐渐形成了合金结构钢系统，并形成了与齿轮，紧固件，弹簧，轴承等相关的基本钢制系统。在1980年代，我的国家遵循了国际技术发展的趋势，并开发了一系列非压制的钢铁，自从改革和开放的钢铁中，与自动级别的钢铁造成了自动级别，我的自动级别，我的自动型钢铁群体。国家，并逐渐改善了我国家的合金结构钢系统。当前的合金结构钢的标准是GB/T 3077-2015“合金结构钢”。

2.1可耐用性和可耐用性

需要对合金结构钢处理的大多数零件进行热处理以实现服务所需的性能，因此钢的可耐用性和可耐用性是合金结构钢的重要过程性能指标。

坚固性是指钢在某些肺化条件下淬火到马氏体的全部或一部分的能力，而坚硬的性能是指在淬火后可以实现的最大硬度，这主要取决于马氏体的C含量。

在合金钢的历史上，早在19世纪末，人们一直在受到很多关注，人们发现NI可以很好地提高可硬度，并且在当时的较大元素中，较大的元素都可以使用较大的元素，而是一小部分，而是一小部分。在1940年代后期生产的合金钢（H钢）。

硬性对于改善机械零件的性能和过程因素而言是重要的。例如，较窄的带宽和离散性越小，它对齿轮的处理越有利，并提高了它们的网格精度。

钢的可硬化性的预测是对狭窄的固定性带宽和低热处理扭曲模型的精确控制的重要手段。

2.2加强和加强

改善强度是合金结构钢的永恒主题，但是，为了提高强度，我们必须解决降低的可塑性和韧性的问题，并且考虑疲劳失败的趋势（当伸展强度≥1500MPa）并延迟裂缝（当延迟的裂缝）（当延迟的裂缝）上（当牵引力≥1200mpa）上造成了钢铁的效果。

在1956年，仍然有很多钢材强度的空间Ensitic钢的范围为600至1800 MPa。

图5钢材材料强度的发展

图5钢强度的发展（RM - tensile强度）

强度和延展性的反转限制了高强度钢的发展。从理论上讲，沿晶体方向的无缺陷BCC结构的理论断裂强度为10〜14 gpa，而在弹性型材料中，裂纹尖端的应力是屈服强度的4倍以上。在多晶材料中。因此，强度水平越高，材料脆性骨折的趋势越多。

图6合金结构钢的强度和可塑性[17,18,19,20,21,22,23,24,25,25,27,27,28,29,29,30,31,32,33,33,34,35]

图6结构钢的强度和延展性（a - eLogation，KIC - 分裂韧性，Z-减少面积）

（a）a-rm（b）kic-rm（c）z-rm

使用固体溶液加强和碳在马氏体中的降水，很难实现强度，韧性和可塑性，并且在2017年加强和坚韧的方法中需要新的突破。同年，他[18]报告了高塑性2200 MPA级超高强度钢的研究结果，均匀的伸长率达到了16％的范围。

从微观结构的角度来看，贝氏钢和马氏体钢可以实现超高的强度，例如，Caballero等人在实验室中开发的Bainitic钢具有2500 MPA的强度水平。由于长长的贝雷特相变时间，该钢的NESS为30〜40 MPA·M1/2。因此，大多数超高强度钢目前都是马氏体钢，例如二次硬化钢，马氏体老化钢，低合金的超高强度钢，降水量硬化钢等不锈钢等。目前，大量的2800 MPA超高强度钢可以在实验室中准备好，但它的韧性和可塑性仍然很难促进，并且要努力地努力。使用多相结构的加强和坚韧作用[40,41]。

韧性和延性的降低是裂纹成核的工作和裂纹延伸，如表2所示[42,43]。练习。

表2钢材材料的常见韧性机制[42,43]

表2钢中的训练机制[42,43]

新的锻炼方法也是出现的。

在2010年，我们的研究小组提出了M3微观结构性能控制的理论和技术[3]：将矩阵的微结构从单一的铁氧体类型扩展到多种铁氧体类型 +亚稳态相位的相位，从冷却过程中延伸到整个生产和服务级别。在我们的研究组的先前工作中提高载荷分化曲线，并通过界面控制裂纹延伸方向，从而获得了超高的冲击力韧性（450 J），如图7所示[45]我可以防止裂纹成核和繁殖。

图70.在马氏体中的裂纹繁殖和铁氧体中的15c5mn3al钢[45]

图7马氏体的裂缝繁殖和0.15c5mn3al钢的铁氧体（nd-正常方向，rd-滚动方向）[45]

高强度发展的另一个重要限制因素是，在一定程度上增加了强度后的延迟断裂和疲劳破坏的趋势。

图8随着强度的改善，延迟断裂和抗抗原性能降低

图8延迟裂缝（DF）和疲劳失败随着强度的增加而发生（KISCC - 由于应力腐蚀引起的临界应力强度因子）

延迟断裂的原因是，钢中的氢可以在晶体边界或其他界面中部分收集，从而降低了界面结合的强度，并导致延迟延迟，存在缺陷，在应力下形成裂缝，并继续扩散，最终导致疲劳损害。

2.3材料技术开发完整的链技术匹配

对于实际应用，它仍然不足以达到高韧性。

面对这样的问题，根据技术研发和实践经验的积累，该研究团队确定了“材料生产零件制造业服务失败”的概念。

通过以下合金结构可以进一步解释钢制研发练习案例。

某些关键零件需要在高温，腐蚀，磨损等综合环境中提供，这需要大量的使用寿命，这需要高度强度的钢制制造业，高温性能比国内外的类似材料更好，而且工业材料已经准备好了二级硬化钢制30CR3MO2V。

当发现服务故障的机理时：（1）碳化物太大（图9a），导致加工表面的表面准确性差和电镀过程的性能不佳，并且在服务过程中易于形成裂缝；

图930CR3MO2V和25CR2MOV钢外观

图9CR3MO2V（A）和25CR2MOV（B）Steels中的碳化物形态

根据30CR3MO2V钢，通过降低CR，CR，MO含量，碳化物含量（约40％）大大降低，形成新的材料25CR2MOV。

与传统的材料生产，零件制造和服务失败的操作方法相比，所有链技术匹配和开发的优势是：（1）在失败分析和服务机制，组件设计，生产过程，组织调节等的指导下，都可以降低效果；顺利进行。

2.4金属结构钢展望

合金结构的发展需要满足可持续增长的高性能和低成本要求，但也可以解决钢铁生产和应用带来的可持续发展资源和环境的问题。

固定零件的高质量

3.1高强度紧固件的钢

随着行业的发展需求，紧固件逐渐形成了标准化产品，称为“工业大米”。

高强度固件的使用可以在1938年追溯到美国。或中碳含有硼钢，例如35、45和40B钢[48,49]。

在19世纪末，由于NI资源的短缺，CR，MN和MO元素在两次世界大战期间开发了中国的CRNI钢，逐渐添加到钢铁中，这些钢材出现在一系列高强度的钢铁中，例如CRMO，SCM435（35 Crmo）。水平紧固件。

痕迹可以显着改善钢的硬化，并具有降低成本的优势，而NB系统主要是基于CRB，MNCRB和MNVB系列的，B的缺点是在反发现能力的范围内延迟延迟的风险，这是奥地利的自由化的风险。合金理论（包括BANG）的崇高度将用于制造更多的关键紧固件。

3.2超高强度紧固件的钢

自从进入21世纪以来，有了高压力设计的要求和结构性零件的轻量级发展，超高于12.9的螺栓是紧急的需求。

表3钢（EA）中不同氢气陷阱的组合[51,54]

表3钢中氢气陷阱的激活能（EA）[51,54]

根据延迟休息的研究工作，在1980年代后期至1990年代中期，日本居民金属开发了广告系列和科比钢，我的国家还开发了延迟的突破 - 高 - 强度 - 强度ADF系列，一系列Matshane Super High -High -Strength Bolt钢铁，试图生产13.9和14.9螺栓和14.9螺栓和获得的效果。

国外的超高和强螺栓钢的发展相对较快。

由于钢可以在碳纤维上沉淀，因此，它具有明显的耐药性。 2010年的高强度螺栓。因此，MO含量高达3％至10％。

3.3耐热紧固件合金

耐热紧固件是设备制造的关键部分。

如今，大量的耐热钢用于蒸汽涡轮机和汽车发动机的高度连接组件，例如涡轮增压器和排气管组件。研究小组与Pan -Asia Automobile Technology Center Co.，Ltd。，东北特殊钢制组和7412 Zhoushan City的工厂，并为A286、409CB和431和431和431的抗热螺栓及其原材料提供了抗性螺栓。加固阶段。图10b是A286样品后的性能对比，也是650°C的进口产物的进口产物。

图10A286样品微组织和A286样品和进口产品650°C实验性能比较

图10 A286样品（a）的微结构以及A286样品与进口A286产品之间的机械性能的比较385 MPa和100 h，在650℃（b）中100 h。

在实施项目期间，形成了相应的组标准。 ML41CRMOV（B16）和ML21CRMOV钢，为选择耐热螺栓提供了基础。

航空航天对耐热的魅力的要求非常严格，所使用的材料类型更丰富，镍合金等。

表4航空航天热的典型材料 - 耐药紧固件

表4航空航天行业耐热紧固件的典型材料

3.4口味非固定钢

在1972年的石油危机的背景下，西迪森公司（West Dedison Company）在开发49mnvs3的钢铁中替换了50m和40cr质量的钢制钢，以生产覆盖层的三种类别的钢铁，又有三个类别的纽约。和MFT10。

表5我国家和日本的主要成分的主要比较（群众比例 /％）

表5中国和日本之间未淬火和钢化钢

冷 - 强化的非调节钢可以节省加热和调整过程，这不仅可以大大降低加工成本，而且还可以避免通过热处理带来的一系列质量问题，尤其是钢制螺栓的直线，可以确保钢制的要求很小，而均可满足型号的效果。在高强度紧固件中发现磨损，冷拉技术和产品质量稳定性匹配关系。

3.5固定零件的关键钢

3.5.1性能稳定性

紧固件的稳定性是设备操作安全性的保证。 。

图11关键紧固量强度统计分配情况

图11键螺栓的拉伸强度的统计分布

在这种情况下，诸如泛亚洲汽车技术中心，上海大学和Nanjing Iron and Steel组共同推出了汽车发动机的关键紧固件及其钢的目标工作（常用的品牌编号SCM435）不超过2 hrc，在“扭矩+角”的组装策略下，螺栓是稳定的，以获得稳定且均衡的夹紧力，以确保发动机的质量和安全性。

3.5.2在线退火和软化技术

紧固的板通常需要在拉动过程中软化，以便于随后的处理，设备具有低温控制的条件。 ，退化的珍珠光体在冷却过程中发生变化，以开发ZT35K-M钢，可以免除离线退火，以进一步获得退化的珍珠光和球形碳酸盐组织，断开后的伸长率为≥32％。

图12ZT35K-M钢铁在线退火组织

图12从ZT35K-M钢的在线退火获得的微观结构

3.5.3紧固件的钢数据库

目前，我国家的高质量紧固件（例如，高强度的紧固件，高强度紧固件和外星人紧固件等）仍处于严重的短缺状态“技术与完整的工业链匹配。

Austeenia不锈钢的硫唑合金

通常，Auslion不锈钢和铁不锈钢的屈服强度为200 MPa（Martensite不锈钢除外），以提高强度，它可以使用加工或沉淀的方法。

像c一样，n在钢中的固体溶液中存在，或以硝酸盐的形式在钢中沉淀。

在20世纪初，Andrew [61]首先研究了N对钢的影响以及1942年奥氏体的稳定性的影响。钢是氮。

在氮合金的不锈钢中，n在诸如C之类的差距的形式中得到增强：（1）提高强度并确保良好的可塑性；

4.1高 - non的机械性能

n是一种强大的稳定元素。增加双胞胎在奥氏体中的转化程度[64]。

在900〜1200°C之后，一些含氮或高硝基奥氏体的不锈钢。塑料损失很小。

图13固体 - 溶解室温机械性能后的一些氮 - 合金奥氏体不锈钢[64,65,65,667,67,68,69,70]

图13在环境温度下，氮合合的奥氏体不锈钢的抗拉伸强度和总伸长率[64,65,65,66,67,67,68,69,70]

n，作为合金元素，它可以显着改善钢的加工，可以通过冷硬化来显着改善强度，并确保固体温度超过1050°C。分别为80 MPa，延伸率分别分别为50％，47％和22％。

图14冷滚动和实心解决方案处理的工程应力05CR21MN16NI2N钢

图14冷滚动和实心溶液处理的工程应力应变曲线经处理的05CR21MN16NI2N钢

In addition, some research [64] believes that the N content and grain size have a greater impact on the intensity, and the yield strength and tensile strength increased with the N content of N, and there is a certain relationship:

In the formula, RM is the tensile strength; RP0.2 is the yield strength; [n] is N content.

4.2 High -Nonor Austenite Stainless Steel

UHLIG [62] research found that N solid solution can improve corrosion resistance in steel. After destruction, due to the analysis of N, it can induce entering the erosion ions to be adsorbed.

Kamachi et al. [74] The study of the 316L stainless steel passivation process of different N content showed that as the N content increased, the more obvious the enrichment of N in the passivation film, the better the anti -point erosion capacity and the stability of the passivation film. ANCE EQUIVALENT NUMBER, PREN) to evaluate:

However, for nitrogen -containing and high -nitrogen austenitic stainless steel, the formula (3) is not applicable, and the impact of N must be considered.

In the formula, the value range of the coefficient X is between 13 ~ 30. It can also satisfy the calculation statistics of nitrogen -containing and high -nitrogen austenitic stainless steel with nitrogen -containing and high -nitrogen austenitic stainless steel in the range of N. The PREN of the ancestral stainless steel increases significantly as the N content increases. Compared with 304 and 316 stainless steel, when the CR and MO contents are equivalent to them, nitrogen -containing and high -non -austed stainless Pren is significantly higher than 304 and 316 stainless steel, which reflects the unique advantages of N's Austenite stainless steel resistance.

Figure 15 The change of the austenitic stainless steel tolerance (Pren) with the N content of N

Fig.15Pitting resistance equivalent number (PREN) of austenitic stainless steel varies with nitrogen contents

除了不锈钢点蚀之外，N元素对不锈钢的缝隙腐蚀和晶间腐蚀也是有益的。因为N在合金-溶液界面附近形成铵，能够抑制阳极溶解酸化和活化分解，降低缝隙的穿透能力[79]；其次，C元素在敏化过程中容易与晶界附近的Cr结合发生晶界沉淀，造成贫Cr而发生晶间腐蚀，而N元素却能延迟溶解N的沉淀相析出(M23C6、Fe2Mo等)，在一定程度上能够抑制敏化，提高耐晶间腐蚀能力[63]。另外，在对05Cr21Mn16Ni2N高氮奥氏体不锈钢和304不锈钢在40 ℃下进行人体汗液盐雾实验发现，腐蚀48 h后，304不锈钢表面开始出现锈斑；腐蚀96 h后，304不锈钢表面锈斑愈发严重，而05Cr21Mn16Ni2N高氮奥氏体不锈钢表面无任何腐蚀发生，说明高氮奥氏体不锈钢比304不锈钢更耐人体汗液腐蚀。

4.3 Biocompatibility

In medical metal materials, whether it is surgery in surgery or embedded support materials in the body, stainless steel is the most widely used, followed by cobalt alloys, titanium alloy, and newly developed zinc alloys. Threat [80] Therefore, for medical stainless steel, the Ni content must be strictly limited. EU standard EN1811: 2011+A1: 2015 The stainless steel nickel dissolved in the human skin is as follows: the puncture is less than 0.2 μg/(CM2 · Week), and the non -puncture is less than 0.5 μg/(cm2 · week).

In addition, as an implantation material in the body, it is required to have excellent mechanical properties, corrosion resistance, abrasion resistance and biocompatibility. Compared with the cobalt -based alloy and titanium alloy, low nickel/nickel -free high -nitrogeno austenite stainless steel has obvious advantages in this regard. In addition, the negative impact of NI on human health has jointly promoted the application of low nickel/nickel -free high -nitrogen austed stainless steel in the field of medical materials. Attached experiments, the results show that the hemolysis rate of high -nitrogen austenitic stainless steel is less than 5%, which meets the safety requirements of hemolysis rates of biomass materials, indicating that high -nitrogen austenitic stainless steel has good blood compatibility.

FIG. 16 is a comparative diagram drawn for the cell compatibility experimental data of high -nitrogen austenitic stainless steel and titanium alloys of different N content. It can be seen that the cytotoxicity of the two types of experimental materials in the experimental cycle is within level 0 ~ 1, indicating that the growth, form, and proliferation of osteocytocytes of high -nitrogen austed stainless steel and titanium alloy have no obvious toxic side effects. In summary, as a medical metal material, high -nitrogen austed stainless steel, its low nickel/nickel -free characteristics does not have a sensitized response to the human body. At the same time, it has good biocompatibility, erosion resistance, wear resistance, etc., with the advantages of cobalt -based alloy, 316L, and titanium alloy.

Figure 16 Different N content of high nitrogen austenitic stainless steel and titanium alloy cytotoxic test results

Fig.16Optical density values of different high nitrogen contents steel and Ti alloy

4.4 Application of high -nomine -austed stainless steel

It can be seen from the aforementioned that high -nitrogen austed stainless steel has obvious advantages in terms of mechanical performance, corrosion resistance and biocompatibility in terms of stainless steel.高 高; Under the high speed of bullet at a high speed, high -nitrogen austenite stainless steel has high strain hardening ability, lower thermal softness ability, and high N content to reduce layer error capacity. It has good bullet resistance and is a kind of armored material with good potential [83].

Ahlström et al. [84] The study of Ni allergies and allergic to dermatitis showed that for metal allergic groups, their allergies were mainly the release of Ni in the process of contact with the human body for a long time in daily life, and statistics on groups of different ages were seen (Table 6). Children and children; among patients with dermatitis, the overall proportion of adolescents and children is higher; and women are more likely to be released by NI more than men.

Table 6 The proportion of people allergic to NI

Table 6The proportion of the population to nickel allergy

The high -nagon austenite stainless steel does not contain Ni or ni contains very little. According to EN1811: 2011+A1: 2015 standard, the nickel solubility of the 05CR21MN16NI2N high -nitrogen Austenite stainless steel is tested. It is found that its nickel solution is less than 0.1 μg/(CM2 · Week), which will not have allergen and poisonous side effects on the human body. Therefore, low nickel/nickel -free high -nitrogen austenite stainless steel can be used for people's livelihood products (such as watches, belt buckles, stainless steel jewelry, clothing toy accessories, keys, etc.) and medical stainless steel products (vascular stents, orthopedic implants, etc.).

In addition, high -nitrogen austenitic stainless steel can be used in the construction field through cold -processed high -nitrogen austenitic stainless steel. Ultra -high -intensity steel wires are used for bridge construction and high -strength stainless steel fasteners.

4.5 Outlook for Austeen Stainless Steel Nitrogen Alloy

N, as the most easy -to -obtain alloying element, can save resources in steel and does not have a negative impact on the environment. At the same time, it gives high -nitrogen austenite stainless steel's excellent mechanical performance, corrosion resistance, biocompatibility, etc., so that it can be applied in the fields of electronics, chemical equipment, pressure vessels, petroleum, and medical care. There are some production technical problems with the addition of N and the uniformity of N, but with the advancement of technology and metallurgy equipment, N has been solved as a solid -soluble element to steel. At the same time, it can also be conducive to processing. Therefore, as the research work continues to deepen, it is believed that the application field of high -nitrogen austenitic stainless steel will be expanded.

High hardness of martensite stainless steel

5.1 Martiner Stainless Steel Development History

Matrier stainless steel contains no less than 12%of CR and medium -high C content. It can be strengthened by heat treatment to create parts with high mechanical performance such as strength, hardness, elasticity, and abrasion resistance, and have a certain amount of corrosion resistance. In the past 0 years, "Alloy Steel Pioneer" Faraday launched a series of alloy steel experiments for studying the Martin Ge knife (ie Uz steel) [85], which aims to "produce alloy steels with excellent cutting performance and not easy to oxidize." A series of tests were performed, and in 1820, the papers that were influenced "Alloy Steel" [86] The CR content added by Faraday was only 3%, so it did not obtain corrosive alloy steel. In 1821, BERTHIER in France studied the impact of low CR and high CR content on high carbon steel, and proposed that CR could increase corrosion resistance. The high -carbon -containing CR steel developed by Berthier has high hardness and certain erosion resistance. Therefore, he recommends that this type of material can be used to make tools. The corrosion resistance of alloy is found that the higher the CR content, the higher the corrosion resistance.

In 1904, Léon Guillet studied a series of high -chromium steel with 0.14%to 1.0%. Its ingredient system was basically the same as contemporary AISI 410 (10CR13), AISI 420 (20CR13), and AISI 440C (90Cr18), but Guillet did not study corrosion tolerance [50]. The cause of rust steel is the Philip Monnartz of Germany. In addition, the effects of carbides on corrosion resistance are proposed, and elements such as TI, V, MO, W, etc. can "stabilize" the C element, thereby ensuring the corrosion resistance of steel, which especially emphasizes the role of MO elements.

马氏体不锈钢的商业化应用和发展与英国的Harry Brearley密不可分。1912年，Harry Brearley研发出了化学成分为12.8%Cr，0.24%C，0.44%Mn，0.2%Si的马氏体不锈钢(类似于现在的AISI 420)并于1914年与Ernest Stuart合作生产出了马氏体不锈钢餐刀。之后Brearley积极拓展马氏体不锈钢的应用，发现该类钢还能生产主轴、活塞、阀门等。第一次世界大战期间，英国皇家空军订制了一批马氏体不锈钢用于制作飞机排气阀，产生巨大商业价值，马氏体不锈钢得到推广并由此进入了快速发展时期[88]。经过100多年的发展，马氏体不锈钢已发展出了适用于各种应用场合的钢种，如刀具、汽轮机叶片、轴承、阀口、结构件和耐磨件等，其中刀具和航发零部件仍是其最主要的应用领域。

航发用钢服役环境恶劣，要求其具有长寿命与高可靠性。航空用钢(如航空主轴轴承钢与刀具用钢)性能要求方面具有高的相通性，但是质量要求更为严格，因此航空轴承钢也是高端刀具用材，如440C、Cronidur30、BG42等。航发用钢的技术发展迅速，其技术创新对刀具用马氏体不锈钢，尤其是高碳马氏体不锈钢的发展起到了推动与指导作用。航发轴承用钢技术创新如表7[89]所示。

表7航发轴承钢的技术创新[89]

Table 7Technical innovation of aeroengine bearing steel[89]

5.2研究现状与技术进展

如上所述，马氏体不锈钢最广泛的用途是制作刀具。刀具是家庭生活、医疗器械、户外运动、军警人员训练及防卫都必不可少的重要工具，具有使用广泛且频率高的特点。影响刀具加工和使役性能的因素包括硬度、淬透性、强度、塑性、韧性、锋利度、耐用度、耐蚀性、耐磨性、加工性。C及Cr含量较低的20Cr13、30Cr13、40Cr13材料制作的刀具材料硬度较低，在51~55 HRC范围内，因此锋利度、耐磨性及使用寿命有限。目前高端刀具用材主要为高碳马氏体。AISI 440C (90Cr18MoV/X105CrMo17)是最早发现的马氏体不锈钢之一，同时也是第一代航发轴承钢。高C及高Cr设计目的是大幅提升材料强度及耐蚀性。然而该类钢种由于C与Cr含量过高，易形成一次共晶碳化物，因此会导致以下缺点：(1) 降低基体中的Cr含量，使耐蚀性下降；(2) 容易在碳化物内部及界面处萌生裂纹，导致塑韧性下降；(3) 碳化物容易从基体处脱落，致使耐磨性变差。因此该类钢种性能未满足设计要求。为解决该问题，一方面需要新的合金设计；另一方面，微观组织调控尤其是碳化物调控技术越来越重要。

5.2.1 合金设计发展现状

高碳马氏体不锈钢的合金设计经历了以下发展：(1) 降低Cr含量，并添加如Mo、V等合金元素，如154CM、BG-42等，提高钢的硬度及耐蚀性，但相应生产成本及难度增加，主要用于制造高端刀具及航发主轴轴承；(2) 同时降低C和Cr含量，添加如Mo、V、Ni等其它合金元素，如420HC、1.4116 (50Cr15MoV)等，提高了耐蚀性，但硬度将有所降低；(3) 降Cr加N，提高硬度，并大幅度提高耐蚀性，如第三代航发轴承用钢Cronidur30，其耐蚀性是440C的100倍，是未来重点发展方向之一，但是对生产设备及相关技术要求较高[90]。

除此之外，稀土合金化与全面抗菌化也是目前高碳马氏体不锈钢合金设计的研究新方向。

5.2.2 稀土合金化

稀土元素可以使夹杂物改性，且在晶界处偏聚，因此能提高钢耐蚀性。内蒙古科技大学[91]研究了La和Ce对20Cr13低碳马氏体不锈钢的作用，北京科技大学[92]及本课题组[93]分别研究了La和Ce对8Cr13MoV钢与6Cr16MoV高碳马氏体不锈钢的作用。如图17所示，La和Ce的加入有效地改变了夹杂物形态与尺寸。

图176Cr16MoNiV钢和6Cr16MoVAgRE[93]钢夹杂物EDS

Fig.17EDS map scanning of inclusion of 6Cr16MoNiV (a) and 6Cr16MoVAgRE[93](b) steels

添加La和Ce还可以提高马氏体不锈钢耐点蚀性与盐雾耐蚀性。通过对比实验，La和Ce含量约为130×10-6的6Cr16MoVAgRE钢的耐点蚀与盐雾性能与Ni含量为1.2%的6Cr16MoNiV钢一致。此外，对比了不同牌号高碳马氏体不锈钢的耐点蚀与盐雾性能，结果如图18所示。采用Gamry Instruments Reference 600电化学工作站测试材料的点蚀行为，试样工作面尺寸为10 mm×10 mm，经砂纸研磨后抛光，测试采用传统三电极体系，扫描速率为0.33 mV/s，室温下于3.5%NaCl溶液中进行。盐雾试样尺寸为30 mm×30 mm×5 mm，表面经砂纸研磨，喷雾为浓度2%NaCl水溶液，实验温度为35 ℃，实验时长72 h。盐雾实验后将试样表面锈层去除并称重。盐雾平均腐蚀速率=失重/(腐蚀面积×腐蚀时间)。由图18a可以看出，6Cr16MoVAgRE钢的容抗弧半径最大，说明6Cr16MoVAgRE钢在电化学腐蚀中具有较好的耐蚀性。图18b表明6Cr16MoVAgRE钢具有最优的抗盐雾性能，且随着奥氏体化温度升高，6Cr16MoVAgRE试样抗盐雾能力明显提高。

图18 不同高碳马氏体不锈钢的点蚀阻抗谱和腐蚀速率。

Fig.18Nyquist diagrams (a) and corrosion rates (b) of different high carbon contents martensitic stainless steels

5.2.3 广谱抗菌

马氏体不锈钢广泛用于餐具制造，因此具有抗菌性的马氏体不锈钢及其制作的产品越来越受到重视。目前主要采取的手段是添加具有抗菌性能的合金元素来实现。各种金属离子抗菌性能顺序为：Ag>Co≥Ni≥Al≥Zn≥Cu=Fe>Mn≥Sn。金属元素溶出并与细菌接触时，可以使细胞增殖酶失去活性，起到抗菌作用。Ag的抗菌效果是Cu的100倍，然而由于Ag添加技术难度较高，分布不易控制。目前应用较多的是成本较低的铜系抗菌马氏体不锈钢[94]。近年来，本课题组开发了银系高碳抗菌马氏体不锈钢，Ag含量为0.025%。通过JEOL-JXA8230电子探针显微分析仪(EPMA)表征，结果如图19所示。可以看出，Ag元素分布均匀。

图196Cr16MoVAgRE钢EPMA分析

Fig.19The alloy element distributions of 6Cr16MoVAgRE steel by EPMA (CP—backscattered electron image,f—area fraction)

该材料已在多个认证检测机构分别按照SN/T 2399抗菌金属材料评价方法、GB/T 31402塑料表面抗菌性能试验方法、JIS Z 2801抗菌产品抗菌活性和效果试验进行抗菌测试，测试结果表明，该类材料可以有效抵抗大肠杆菌、金黄色葡萄糖球菌、白色念珠菌、铜绿假单胞菌等细菌，抗菌率达到99.99%。该材料制作的厨刀使役性能优异且抗菌效果明显，填补了我国银系抗菌刀具的空白，推动了刀具用钢的发展。

5.3微观组织调控技术发展

随着冶炼设备与技术的进步和不锈钢纯净度的提高，高碳马氏体不锈钢中碳化物的含量、分布及尺寸逐步成为决定其性能的关键因素。碳化物的类型、尺寸、分布以及溶解和析出行为，不仅依赖于材料的成分，同时受凝固、热变形及热处理等工艺的影响[95]。因此，为进一步调控碳化物，需要从全流程角度进行微观组织调控，减少或消除一次共晶碳化物，优化二次碳化物组织特征，进而提高马氏体不锈钢的性能。

国外相关制造企业如法国Bonpertuis钢铁公司、瑞典Sandvik钢铁公司都有着先进且成熟的马氏体不锈钢冶炼、轧制技术，钢材成分控制严格、波动范围小、组织偏析小、原材料晶粒细小均匀、碳化物形态好、有害成分含量低和无杂质[96]。然而由于技术封锁与核心工艺控制，高碳马氏体不锈钢微观组织调控的公开研究资料较为匮乏。中国是目前在马氏体不锈钢领域公开发表文献及申请专利最多的国家，内容涉及到电渣重熔技术、高温扩散退火、热轧工艺控制、循环球化退火、淬火配分(Q&P)等其它热处理方式等。

本课题组通过全流程调控技术研发出的6Cr16MoMA (MA—microalloying)高碳马氏体不锈钢，其一次碳化物基本消除，二次碳化物颗粒细小且分布均匀，如图20a所示。该钢硬度大于58 HRC，韧性远优于目前高碳马氏体不锈钢，其半标试样(5 mm×10 mm×55 mm试样U型缺口)冲击功如图20b所示。

图206Cr16MoMA马氏体不锈钢SEM像和不同高碳马氏体不锈钢不同奥氏体化温度处理后试样冲击功

Fig.20SEM image of 6Cr16MoMA martensitic stainless steel (a) and the impact energies of different high carbon martensitic stainless steels after different austenitizing treatments (b) (MA—microalloying)

5.4展望

高碳马氏体不锈钢主要用于高端刀具与航发零部件制造。我国不锈钢刀剪产业的产业规模居世界第一，是全球重要生产基地。在高端刀具用钢及刀具产品方面，我国距德国和日本仍有一些差距。近年来，我国刀剪企业与钢企及研发机构合作，开展了刀剪用马氏体不锈钢的研发。我国钢企具有先进的冶金设备和生产工艺流程，在工艺技术与应用技术方面持续努力，相信不远的将来可以很好地控制化学成分一致性、碳化物均匀细小，达到更高寿命与可靠性要求。国内相关单位也在研发新型更高性能的马氏体不锈钢，应用于航发主轴轴承与刀具制造。

结论

本文不企图也不可能完全描述钢铁材料的高性能化领域发展，只是尝试对部分热点问题开展论述与实践，希望能够抛砖引玉，引起大家对钢铁材料高性能化发展的关注。千变万化的钢铁材料发展到了今天，就像一颗枝繁叶茂的大树，品种繁多，而且还在不断生长。尽管可以肯定屈服强度200 MPa级的碳素结构钢和奥氏体不锈钢因为具有良好的综合性能，依然是最量大面广的好用的钢铁材料，但是，今后的钢铁材料会发展到什么样子实在是不太好预测，比如在过去的20~30年间，建筑螺纹钢从355 MPa级发展到了400、500、600 MPa级；低合金钢从Q460~Q690发展到了今天的Q1300；热成形钢从1500 MPa级发展到今天的2200 MPa级；轻量化促使螺栓钢从12.9级发展到了今天的18.9级；弹簧钢已经从1800 MPa级发展到了今天的2200 MPa级；悬索桥梁钢丝的强度从1760 MPa发展到了今天的2300 MPa；帘线钢从2800 MPa级发展到了今天的4000 MPa级UT帘线钢；超高强度钢从1800~2200 MPa级发展到了今天的2400 MPa级。可以肯定的是，未来的钢铁材料与我们今天所见的钢铁材料会有很大的不同。

我们仅仅以耐候钢、合金结构钢、不锈钢、紧固件用钢为典型案例，论述工业界与学术界近期关注的耐腐蚀、高强韧化、抗菌毒、高品质化等方面的问题。高性能化已经不仅仅局限在材料本身的性能提高，更重要的是需要考虑材料生产、零件制造和服役评价的技术产业链的构建。我国钢铁行业在诸多方面已经走到了世界前列，从跟跑变成领跑，是需要考虑新型的材料研发思维方式与方法的时候了。

来源：期刊-《金属学报》；作者：董瀚1,2, 廉心桐1, 胡春东1, 陆恒昌1, 彭伟1, 赵洪山1, 徐德祥1

（1.上海大学材料科学与工程学院；2.钢铁研究总院）

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