新一代钢铁材料（超级钢）

forging

微合金化（指添加量很少，一般不超过0.2％，有时甚至低于0.001％，即能对钢的某一性能或某些性能产生显著影响的合金元素）与TMCP技术相结合，发展了高强高韧钢，成为钢铁材料近30年最活跃的领域。现行的TMCP技术是将含Nb、V、Ti等微量元素的低碳钢，在高温奥氏体再结晶区逐级变形，反复再结晶细化奥氏体晶粒，随后控制冷却导致铁素体晶粒细化；或者在奥氏体未再结晶区，获得热变形奥氏体，增加晶内形变带等相变形核的部位，再结合轧后控冷，促进铁素体晶粒细化，可将铁素体晶粒细化至10μm以内。为获得超细晶组织、提高钢的强韧性，对不同类型的钢研究开发了相应的理论和控制技术。

（1）超细晶铁素体-珠光体钢
通过形变诱导（强化）铁素体相变和铁素体动态再结晶细化晶粒，提高强韧性。
①形变诱导铁素体相变　对低碳钢或低（微）合金钢在较低温度（靠近相变点A3）以较大的积累变形量和较高的应变速率进行热变形时，其变形能不能完全释放，使系统的自由能变化，成为相变驱动力，在形变过程中诱发奥氏体→铁素体相变。该相变以形核不饱和机制进行，使晶粒细化，称为形变诱导铁素体相变（DIFT）。
②形变强化铁素体相变　对低碳钢或低（微）合金钢的过冷奥氏体（在A3温度以下）以与DIFT其他条件相同的情况下进行变形时，其相变驱动力进一步增加，形成的铁素体晶粒更细，称作形变强化强化相变（DEFT）。
③低碳碳素钢的奥氏体形态　为产生形变诱导（强化）铁素体相变，必须控制奥氏体的组织形态。形变使奥氏体呈“薄饼状”，晶内产生大量晶体缺陷，将部分形变能储存为相变驱动力。研究表明，对低碳钢随形变速率的提高和变形温度的降低可使奥氏体只发生回复而不发生再结晶，即可通过未再结晶控轧和DIFT细化铁素体晶粒。
④铁素体动态再结晶　奥氏体转变为铁素体后，由于第二相渗碳体的存在，在与第二相交界处往往受不均匀变形，具较高畸变能，成为铁素体动态再结晶形核的有利部位。铁素体动态再结晶使晶粒进一步细化。

上述理论是对传统TMCP理论的发展。原TMCP的奥氏体→铁素体相变发生在形变后的冷却过程中，而新型TMCP是发生在形变过程中。
（2）超细组织低（超低）碳贝氏体（B）钢
为了开发强度高于600MPa的经济型低合金钢，人们研究了低（超低）碳贝氏体钢的组织超细化理论与控制技术。通过研究发展了TMCP技术，在工艺中增加了一个弛豫控制阶段。在此阶段，在变形奥氏体中实现晶体缺陷的重新排列、组合，让微合金元素的析出质点在特定部位析出，分割原奥氏体晶粒，从而控制随后冷却时的贝氏体相变在已被分割的小空间内进行，实现组织超细化。该技术称作弛豫-析出-控制技术（RPC）。
①位错胞状结构（亚晶）的限制作用　钢变形后，位错密度很高。弛豫时，位错重新排列，形成位错墙，进而出现胞状结构，较完整的亚晶，将原奥氏体晶粒分割为更细小的亚晶。
②微细析出相的钉扎作用　钢中含有Nb、V、Ti、B等微量元素，在形变和弛豫过程，通过形变诱导析出细微析出相。析出相对位错亚结构的钉扎作用是实现组织超细化的另一因素。
③针状铁素体的空间分割作用　形变、弛豫后在冷却过程中，在较高温度首先形成针状铁素体。针状铁素体将原奥氏体晶粒分割为更细小的空间。
RPC技术使中温转变组织细化的机制是：位错亚结构的限制作用；微细析出质点的钉扎作用；针状铁素体的分割作用。三者结合使贝氏体组织超细化。这类钢具有高强度、高韧性、低韧脆转变温度（TK）和良好的焊接性。
（3）无碳化物B/M复相钢
合金结构钢的强度高于1200MPa后，其延迟断裂抗力低，韧性不足，疲劳极限分散。利用新的合金成分和微观组织设计，使钢形成无碳化物贝氏体/马氏体+膜状残余奥氏体。用无碳化物贝氏体改善钢的韧性，用膜状残余奥氏体提高钢的抗延迟断裂性能。此类钢有如下特点。
①采用低碳Mn-Si-Cr合金系，保证钢有一定淬透性，在空冷条件下，直径小于20mm的棒材可获得无碳化物贝氏体、少量马氏体及膜状残余奥氏体，具有较高韧性。
②Si作为非碳化物形成元素，在发生贝氏体相变时阻止碳化物的析出。冷却过程中，在贝氏体和马氏体板条束界、板条界形成残余奥氏体膜。膜状残余奥氏体使疲劳裂纹尖端钝化，提高疲劳性能。奥氏体的析氢能力比铁素体高1个数量级，明显提高钢的抗延迟断裂性能。
③该钢奥氏体化后自高温冷却时，在奥氏体晶粒内先形成无碳化物贝氏体，分割原奥氏体晶粒，使随后形成的马氏体细化，提高钢的强韧性。
④含Si合金钢有较高的回火抗力，适当提高回火温度使钢具有良好的综合性能。

（4）耐延迟断裂高强度M钢
为改善高强度合金结构钢的耐延迟断裂性能，根据强化晶界、细化晶粒、控制氢陷阱的技术思路，在42CrMo钢基础上设计了中碳Cr-Mo-V-Nb钢，其有如下特点。
①强化晶界　钢中加入Mo和V，回火时析出Mo2C、VC，产生二次硬化，提高回火温度而不降低钢的强度。低温回火时，碳化物沿奥氏体晶界呈连续薄膜状析出。氢在晶界富集，导致高的延迟断裂敏感性。高温回火时晶界的碳化物聚集，呈不连续粒状；同时晶内的碳化物析出增加，成为氢陷阱。因此，强化晶界，提高钢的耐延迟断裂性能。P、S在晶界偏聚，降低钢的晶界结合力，可提高钢的洁净度以降低其危害。Mo可降低P在晶界的偏聚，强化晶界。
②细化晶粒　Nb和V的析出相钉扎晶界，阻止钢淬火加热时奥氏体晶粒长大，细化晶粒。增加晶界面积，相对提高钢洁净度，净化晶界，提高钢的强韧性和耐延迟断裂性能。
③控制氢陷阱　随回火温度的提高，晶内析出碳化物，成为氢陷阱，把氢捕集在晶内的氢陷阱中，提高钢的耐延迟断裂性能。
总之，“高性能”是钢铁材料研发的永恒主题。对于不同的钢类，高性能的含义不尽相同，所采用的基体组织类型也不同（如表1-2所示）。控制冶炼和凝固过程可得到高洁净度和高均匀度的钢坯（锭），通过加工过程中的相变、再结晶、固溶和析出等现象控制可获得期待的高均匀度和精细组织，从而达到高性能的目标。所以，钢铁材料的生产工艺技术进步、物理金属学和力学金属学的发展促进了钢铁材料的发展，钢铁材料是不断发展的新材料。现在使用的数千种钢铁材料都是在近代液态钢铁冶金技术出现以后，经过人们不断研发而产生的。通过持续的技术研发活动，钢铁材料已经和必将不断发展和更新，形成了以“高性能、低成本、易加工、高精度、绿色化”为特征的先进钢铁材料。