超微细晶粒钢微金属化法现状和展望
2002-03-27 00:00 来源： 我的钢铁
一、前言
日本在钢铁材料的科研方面有两个国家级项目，即超级钢铁项目（STX－21），由物质材料研究机构材料研究所主持；另一个为超级金属项目，由新能源产业技术综合开发机构主持。共同的目标为生产出晶粒为1μm的超微细晶粒钢。经过数年的努力，在试验室已达到上述目标，现已转向大型试样的制作和焊接性能的试验等有关实用化的研究，少数企业已用以试制高强度产品。
二、超微细晶粒研究的现状
金属材料随着晶粒的变小而在室温下的强度上升，且韧性亦同时提高。为此，研发结构用金属材料时首先应考虑其晶粒的微细化。常用钢铁材料的晶粒直径一般为数100μm～10μm，实用化大宗钢材的铁素体组织最细的为5μm左右。使晶粒微细化的方法有：对大宗钢材可通过相变和再结晶的热处理（或热机械处理）可使粒径缩小到1μm左右；通过液体金属的超急冷可缩小到100～10μm；通过超微粒子的烧结、合金化和非晶体的结晶化可进一步缩小到1μm。目前的研究是通过热机械处理，使大型钢材的晶粒达到1μm或更小的超微细铁素体组织。
将加工和热处理巧妙结合的热机械处理对晶粒微细化极为有效。热机械处理中的加工作用按大类划分有二种：（a）对相变前的母相加工，使核生成速度加大致相变生成物微细化，现在对低碳钢的控制轧制，便属此类；（b）对相变后的相变生成物加工后进行退火，使之通过回复再结晶而微细化。近年来还盛行通过大变形加工从物理上使组织切断，细分化的超微细化法。
三、现行的热处理使晶粒微细化法
热机械处理（TMCP）有多种形式，最常用的为控制轧制快速冷却法，甚至把两者等同称呼。通常的热轧钢材组不均匀且粗大，为得到细粒组织，常在奥氏体（以下称γ）低温领域再加热后空冷以进行正火处理。对低碳钢通过正火可得到约Φ10μm的铁素体（以下称α）粒子，但是通过控轧快冷（亦可称TMCP）在未处理条件下却可得到5μm的铁素体晶粒，其理由如下：
以低碳钢的γ→α相变为例，α相变是通过新相的核生成和长大的过程而进行反应的，若反应终了后仍长时保持高温，将引起晶粒的粗大化。为此，为得到微细的α组织，希望相变后的晶粒尽可能细，而且要抑制以后的长大，有效的方法是利用微量碳化物和氮化物的抑制作用。相变终了时平均晶粒径d=A(G/I)n（式中A、n为常数，I为晶粒生成速度），为加大I可采取以下措施：（a）加大晶核生成区的密度；（b）加大晶核生成的驱动力；（c）减少α/γ界面的易动度M，加入铌、钒等微量合金最有效。控制轧制保证了上述（a）（b)条件，使I加大；再加上在950℃低温下轧制使未结晶γ粒硬化，有利于γ向α相变，亦使I加大；最后加上快速冷却，致抑制了生成α晶粒的长大。而正火的作用主要是使I加大1项，故控轧、快冷的效果大于正火。 在更低温度下对（α＋γ）两相区的加工法尚未能在TMCP中发挥作用，故其晶粒径以5μm为限。该法近年来已在焊接高受热部位的韧性改善和机械结构用热锻非调质的韧性提高方面应用有效。
四、TMCP的极限追求和超微细化法
在两个研究项目中都要求不加入Ni、Cr、Mo、Cu等合金元素的低碳钢（Fe＋Si＋Mn＋C)达到1μm及以下的超微细晶粒为重大目标之一。从现在高强度钢的力学性质和晶粒径的关系推算，α粒径由10μm缩小到1μm时，屈服强度约提高400MPa
（强度约为过去的2倍），冲击迁移温度将降低250℃，在液氮温度下亦不产生脆性破坏。从而成为生产1μm超微细粒钢的魅力和研发驱动力。
两个研发项目均主要通过现行TMCP的极限以达到1μm超微细α粒钢的目标。已通过种种方法取得初步成果：粒径小于1μm的超微细组织，其屈服强度达750MPa，迁移温度达液氮温度以下，综合性能优良。取得此等成绩的新TMCP法和过去不同之处的关键技术是低温大变形加工，即在500～700℃的低温下一次压下率高达50％。过去由于变形抵抗过大而从未实现过，通过对这未开发领域的探索，终于取得了1μm超微细α粒成功。
种种低温大变形加工TMCP被开发成功，以铁系超级金属项目的研发为例，有以下方式：（a)在500～700℃的低温准称定的γ区进行大变形加工；（b）在700℃以下对α＋θ，α＋γ复合组织进行变形加工；（c）在α＋θ区进行大变形加工和以后的γ区快速加热产生的逆相变组合而成。其共同的特点是比过去的TMCP在较低温度下轧制，还有由过去单纯在γ区加工改为如（b）、（c）方式的在γ→α的相变区加工。依（a）、（b）、（c）法中的任一种方式，利用试验室的模拟装置生产出的试样已达到0.5～0.8μm的超微细晶粒，而且在试验轧机上产出的5×100×2000mm钢板上已达到约1μm的超微细晶粒。总之，新的TMCP引起一些金属学现象从而促进了晶粒的超微细化。如（a）在500～700℃间为动态α相变，<500℃时为变形诱发极低温α扩散相变；（b）为α的动态再结晶；（c）为加工发热诱发的逆相变。兹进一步说明如下：
（1）过去的TMCP，γ在Ac3点以上的称定γ区（未再结晶区）轧制加工，α相变是在轧后冷却中温度达Ac3点时发生的，此称为静态相变，亦即通常的α相变，而像（a)式将γ过冷至Ac3点以下的准稳定区的低温，通过大变形轧制在轧制中发生γ→α相变，此种在变形中产生的相变称为动态相变，是对准稳定γ进行大变形加工所产生的现象，有利于晶粒超微细化。
（2）通常将γ过冷至550℃以下的低温时，将不发生扩散型α相变而发生贝氏体相变。但对过冷后的γ进行大变形加工时，则会引起扩散型的α相变，称之为变形诱发极低温α扩散型相变，亦有助于超微细α粒的生成。
（3）（b）式的由α的动态再结晶而得到超微细的事实亦属新发现。动态再结晶在迄今的研究大多为γ组织部分，α组织的研究极少。通常的再结晶指冷加工后经退火时或者热加工后的高温保持期由加工硬化组织而产生，称为静态再结晶；而动态再结晶则指热加工中引起的再结晶，此现象在一次变形量较大时才会发生。故通过大变形加工TMCP的普及，在目前工艺下难以产生的γ及α的动态再结晶将成为重要的晶粒微细化法。
（4）加工发热诱发的γ逆相变指在相变点下附近（500～600℃）进行大变形加工时，由加工发热达Ac3以上产生的逆相变，从而得到极微细的γ粒。
五、超微细粒钢的今后展望
如上所述，通过二个研发项目，对低碳钢已取得1μm以下的超微细化组织，而且在性能上亦达到了预测的强度和韧性，连过去曾担心的当α超微细化后加工硬化变小致均匀延伸大幅下降的问题，亦因巧妙利用渗碳体的第二相得以解决。今后研究的重点将是钢材的大型化和焊接方法等有关实用化方面。在α粒径已突破1μm的今天，能否生产如粒径0.1μm的超微细粒钢，决定于提高力学性能的展望，制造条件的过苛程度及钢材焊接问题等的综合判断。
现在的超微细粒钢研究主要以低碳钢的α组织为对象进行的，但钢铁材料中除α组织外，还有珠光体、马氏体和贝氏体等相变组织，超微细粒钢有必要扩大到低碳钢以外的钢种。为此，有必要研究α组织以外的超微细金属化法，因为各种相变组织有其各自独特的控制原理和方法。钢铁各种相变生成物均由母相γ生成，因此，若能将母相γ粒的超微细化彻底解决，将成为效果波及广大钢铁材料的重要课题。
现行工艺生产的钢材，其γ粒径最小只能达10μm。如上所述低碳钢光靠γ粒的微细化尚难以达到α粒的超微细化，还必须通过从加工硬化γ的相变才能达到。假如应用上述的低温下的大变形加工法改用于高温下对γ区的大变形加工亦可能达到γ粒的超微细化。
γ粒的超微细化对马氏体钢有很大魅力，例如实用钢中强韧性最高的马氏体时效钢，尽管经过多次研究，但强度最高仅达3GPa，其原因是在此强度下便开始产生低应力破坏，致使强度上升受到限制。有人提出可通过母相γ粒的微细化以突破这一障碍，因为随着粒径的变小，低应力破坏的开始亦将顺延。据此推算，若γ粒径达5μm时则强度可达3.5GPa，粒径达1μm时最高强度可能达4.5GPa。总之，马氏体时效钢能否最大发挥析出强化的关键是γ粒的微细化。
珠光体组织为由α和渗碳体组成的层状组织，其决定力学性质特别是强度的主要因素是渗碳体层的间隔（一般为0.1μm），而决定延性和韧性的则主要是α晶粒。从原则上推论，当母相γ粒径由10μm缩小到1μm时，如其组织不变，则其各项力学性能理应相应改善，但难以预测的是母相γ的粒径大幅缩小时亦难保组织不起变化，故尚需通过实践为证明。
关于得到超微细γ粒的途径主要有两种：
（a）在γ区进行热加工使之再结晶。但是一般热加工产生的静态再结晶对微细化的程度不大，目前只能得到约20μm的γ微粒，需研究采取动态再结晶。动态再结晶的微粒化效果决定于低温大变形加工，据研究结果预测可得到1μm的γ粒，目前由于一次变形量不足，故难以实现动态再结晶。
（b）利用重复相变的方法对γ粒的微细化非常有效。在Ac3点上和室温之间重复快速加热和快冷时可得到2～3μm的γ粒已早知道，但因快热、快冷的力度不足，故尚停留在10μm的水平。对相变组织加工后进行γ化时，γ粒的微细化效果较好，对低、中碳钢回火使马氏体在强轧制后γ化时可得到0.9μm的微细γ粒。还有对准稳定γ系不锈钢在室温下强轧制后变为近100％的加工诱发马氏体组织后再经加热时，可得到约0.2～0.5μm的超微细γ粒。前述的加工诱发逆相变所产生的γ粒超
微细化，基本上亦属于此类γ粒微细化法。冷却时的正相变时母相仅为γ一种，而通过加热的逆相变时，相变态前的组织则可变为α、珠光体、马氏体等多种组织，从而逆相变的γ微细化处理法具有广泛的多样性。
六、小结
通过追求现行TMCP的极限，现在我们已在单纯成分的低碳钢上制出1μm超微细α组织的常用钢材。特别值得提出的是用低温大变形TMCP可产生迄今未有的微细粒组织形成的多种新原则、方法的事例。通过采用大变形加工使现在未利用的动态
现象（动态相变和动态再结晶）成为今后值得重视的重要微细化法，并将适用α以外相变组织的钢铁材料，势将促进种种新型钢铁材料的产生。
日本在钢铁材料的科研方面有两个国家级项目，即超级钢铁项目（STX－21），由物质材料研究机构材料研究所主持；另一个为超级金属项目，由新能源产业技术综合开发机构主持。共同的目标为生产出晶粒为1μm的超微细晶粒钢。经过数年的努力，在试验室已达到上述目标，现已转向大型试样的制作和焊接性能的试验等有关实用化的研究，少数企业已用以试制高强度产品。
二、超微细晶粒研究的现状
金属材料随着晶粒的变小而在室温下的强度上升，且韧性亦同时提高。为此，研发结构用金属材料时首先应考虑其晶粒的微细化。常用钢铁材料的晶粒直径一般为数100μm～10μm，实用化大宗钢材的铁素体组织最细的为5μm左右。使晶粒微细化的方法有：对大宗钢材可通过相变和再结晶的热处理（或热机械处理）可使粒径缩小到1μm左右；通过液体金属的超急冷可缩小到100～10μm；通过超微粒子的烧结、合金化和非晶体的结晶化可进一步缩小到1μm。目前的研究是通过热机械处理，使大型钢材的晶粒达到1μm或更小的超微细铁素体组织。
将加工和热处理巧妙结合的热机械处理对晶粒微细化极为有效。热机械处理中的加工作用按大类划分有二种：（a）对相变前的母相加工，使核生成速度加大致相变生成物微细化，现在对低碳钢的控制轧制，便属此类；（b）对相变后的相变生成物加工后进行退火，使之通过回复再结晶而微细化。近年来还盛行通过大变形加工从物理上使组织切断，细分化的超微细化法。
三、现行的热处理使晶粒微细化法
热机械处理（TMCP）有多种形式，最常用的为控制轧制快速冷却法，甚至把两者等同称呼。通常的热轧钢材组不均匀且粗大，为得到细粒组织，常在奥氏体（以下称γ）低温领域再加热后空冷以进行正火处理。对低碳钢通过正火可得到约Φ10μm的铁素体（以下称α）粒子，但是通过控轧快冷（亦可称TMCP）在未处理条件下却可得到5μm的铁素体晶粒，其理由如下：
以低碳钢的γ→α相变为例，α相变是通过新相的核生成和长大的过程而进行反应的，若反应终了后仍长时保持高温，将引起晶粒的粗大化。为此，为得到微细的α组织，希望相变后的晶粒尽可能细，而且要抑制以后的长大，有效的方法是利用微量碳化物和氮化物的抑制作用。相变终了时平均晶粒径d=A(G/I)n（式中A、n为常数，I为晶粒生成速度），为加大I可采取以下措施：（a）加大晶核生成区的密度；（b）加大晶核生成的驱动力；（c）减少α/γ界面的易动度M，加入铌、钒等微量合金最有效。控制轧制保证了上述（a）（b)条件，使I加大；再加上在950℃低温下轧制使未结晶γ粒硬化，有利于γ向α相变，亦使I加大；最后加上快速冷却，致抑制了生成α晶粒的长大。而正火的作用主要是使I加大1项，故控轧、快冷的效果大于正火。 在更低温度下对（α＋γ）两相区的加工法尚未能在TMCP中发挥作用，故其晶粒径以5μm为限。该法近年来已在焊接高受热部位的韧性改善和机械结构用热锻非调质的韧性提高方面应用有效。
四、TMCP的极限追求和超微细化法
在两个研究项目中都要求不加入Ni、Cr、Mo、Cu等合金元素的低碳钢（Fe＋Si＋Mn＋C)达到1μm及以下的超微细晶粒为重大目标之一。从现在高强度钢的力学性质和晶粒径的关系推算，α粒径由10μm缩小到1μm时，屈服强度约提高400MPa
（强度约为过去的2倍），冲击迁移温度将降低250℃，在液氮温度下亦不产生脆性破坏。从而成为生产1μm超微细粒钢的魅力和研发驱动力。
两个研发项目均主要通过现行TMCP的极限以达到1μm超微细α粒钢的目标。已通过种种方法取得初步成果：粒径小于1μm的超微细组织，其屈服强度达750MPa，迁移温度达液氮温度以下，综合性能优良。取得此等成绩的新TMCP法和过去不同之处的关键技术是低温大变形加工，即在500～700℃的低温下一次压下率高达50％。过去由于变形抵抗过大而从未实现过，通过对这未开发领域的探索，终于取得了1μm超微细α粒成功。
种种低温大变形加工TMCP被开发成功，以铁系超级金属项目的研发为例，有以下方式：（a)在500～700℃的低温准称定的γ区进行大变形加工；（b）在700℃以下对α＋θ，α＋γ复合组织进行变形加工；（c）在α＋θ区进行大变形加工和以后的γ区快速加热产生的逆相变组合而成。其共同的特点是比过去的TMCP在较低温度下轧制，还有由过去单纯在γ区加工改为如（b）、（c）方式的在γ→α的相变区加工。依（a）、（b）、（c）法中的任一种方式，利用试验室的模拟装置生产出的试样已达到0.5～0.8μm的超微细晶粒，而且在试验轧机上产出的5×100×2000mm钢板上已达到约1μm的超微细晶粒。总之，新的TMCP引起一些金属学现象从而促进了晶粒的超微细化。如（a）在500～700℃间为动态α相变，<500℃时为变形诱发极低温α扩散相变；（b）为α的动态再结晶；（c）为加工发热诱发的逆相变。兹进一步说明如下：
（1）过去的TMCP，γ在Ac3点以上的称定γ区（未再结晶区）轧制加工，α相变是在轧后冷却中温度达Ac3点时发生的，此称为静态相变，亦即通常的α相变，而像（a)式将γ过冷至Ac3点以下的准稳定区的低温，通过大变形轧制在轧制中发生γ→α相变，此种在变形中产生的相变称为动态相变，是对准稳定γ进行大变形加工所产生的现象，有利于晶粒超微细化。
（2）通常将γ过冷至550℃以下的低温时，将不发生扩散型α相变而发生贝氏体相变。但对过冷后的γ进行大变形加工时，则会引起扩散型的α相变，称之为变形诱发极低温α扩散型相变，亦有助于超微细α粒的生成。
（3）（b）式的由α的动态再结晶而得到超微细的事实亦属新发现。动态再结晶在迄今的研究大多为γ组织部分，α组织的研究极少。通常的再结晶指冷加工后经退火时或者热加工后的高温保持期由加工硬化组织而产生，称为静态再结晶；而动态再结晶则指热加工中引起的再结晶，此现象在一次变形量较大时才会发生。故通过大变形加工TMCP的普及，在目前工艺下难以产生的γ及α的动态再结晶将成为重要的晶粒微细化法。
（4）加工发热诱发的γ逆相变指在相变点下附近（500～600℃）进行大变形加工时，由加工发热达Ac3以上产生的逆相变，从而得到极微细的γ粒。
五、超微细粒钢的今后展望
如上所述，通过二个研发项目，对低碳钢已取得1μm以下的超微细化组织，而且在性能上亦达到了预测的强度和韧性，连过去曾担心的当α超微细化后加工硬化变小致均匀延伸大幅下降的问题，亦因巧妙利用渗碳体的第二相得以解决。今后研究的重点将是钢材的大型化和焊接方法等有关实用化方面。在α粒径已突破1μm的今天，能否生产如粒径0.1μm的超微细粒钢，决定于提高力学性能的展望，制造条件的过苛程度及钢材焊接问题等的综合判断。
现在的超微细粒钢研究主要以低碳钢的α组织为对象进行的，但钢铁材料中除α组织外，还有珠光体、马氏体和贝氏体等相变组织，超微细粒钢有必要扩大到低碳钢以外的钢种。为此，有必要研究α组织以外的超微细金属化法，因为各种相变组织有其各自独特的控制原理和方法。钢铁各种相变生成物均由母相γ生成，因此，若能将母相γ粒的超微细化彻底解决，将成为效果波及广大钢铁材料的重要课题。
现行工艺生产的钢材，其γ粒径最小只能达10μm。如上所述低碳钢光靠γ粒的微细化尚难以达到α粒的超微细化，还必须通过从加工硬化γ的相变才能达到。假如应用上述的低温下的大变形加工法改用于高温下对γ区的大变形加工亦可能达到γ粒的超微细化。
γ粒的超微细化对马氏体钢有很大魅力，例如实用钢中强韧性最高的马氏体时效钢，尽管经过多次研究，但强度最高仅达3GPa，其原因是在此强度下便开始产生低应力破坏，致使强度上升受到限制。有人提出可通过母相γ粒的微细化以突破这一障碍，因为随着粒径的变小，低应力破坏的开始亦将顺延。据此推算，若γ粒径达5μm时则强度可达3.5GPa，粒径达1μm时最高强度可能达4.5GPa。总之，马氏体时效钢能否最大发挥析出强化的关键是γ粒的微细化。
珠光体组织为由α和渗碳体组成的层状组织，其决定力学性质特别是强度的主要因素是渗碳体层的间隔（一般为0.1μm），而决定延性和韧性的则主要是α晶粒。从原则上推论，当母相γ粒径由10μm缩小到1μm时，如其组织不变，则其各项力学性能理应相应改善，但难以预测的是母相γ的粒径大幅缩小时亦难保组织不起变化，故尚需通过实践为证明。
关于得到超微细γ粒的途径主要有两种：
（a）在γ区进行热加工使之再结晶。但是一般热加工产生的静态再结晶对微细化的程度不大，目前只能得到约20μm的γ微粒，需研究采取动态再结晶。动态再结晶的微粒化效果决定于低温大变形加工，据研究结果预测可得到1μm的γ粒，目前由于一次变形量不足，故难以实现动态再结晶。
（b）利用重复相变的方法对γ粒的微细化非常有效。在Ac3点上和室温之间重复快速加热和快冷时可得到2～3μm的γ粒已早知道，但因快热、快冷的力度不足，故尚停留在10μm的水平。对相变组织加工后进行γ化时，γ粒的微细化效果较好，对低、中碳钢回火使马氏体在强轧制后γ化时可得到0.9μm的微细γ粒。还有对准稳定γ系不锈钢在室温下强轧制后变为近100％的加工诱发马氏体组织后再经加热时，可得到约0.2～0.5μm的超微细γ粒。前述的加工诱发逆相变所产生的γ粒超
微细化，基本上亦属于此类γ粒微细化法。冷却时的正相变时母相仅为γ一种，而通过加热的逆相变时，相变态前的组织则可变为α、珠光体、马氏体等多种组织，从而逆相变的γ微细化处理法具有广泛的多样性。
六、小结
通过追求现行TMCP的极限，现在我们已在单纯成分的低碳钢上制出1μm超微细α组织的常用钢材。特别值得提出的是用低温大变形TMCP可产生迄今未有的微细粒组织形成的多种新原则、方法的事例。通过采用大变形加工使现在未利用的动态
现象（动态相变和动态再结晶）成为今后值得重视的重要微细化法，并将适用α以外相变组织的钢铁材料，势将促进种种新型钢铁材料的产生。
