一、研究的背景與問題
第二相粒子調(diào)控是實現(xiàn)鋼鐵材料強韌化的重要手段，在組織中形成尺寸細小、彌散分布、成分可控的第二相粒子，可以改良傳統(tǒng)大尺寸第二相屬性，成為晶界釘扎和相變形核質(zhì)點，變害為利，使鋼材具有優(yōu)異的韌性、抗硫化氫腐蝕能力，尤其能夠顯著提升焊接性能。但在本項目實施前，甚至在實施過程中，普遍存在第二相氧化物粒子難以精細化和穩(wěn)定化控制的問題，出現(xiàn)多批次多鋼種性能大幅波動現(xiàn)象，這源于技術理論理解不充分和工藝控制方法不成熟，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
（1）關于復合第二相粒子精細化技術控制原理缺乏系統(tǒng)研究，針對脫氧合金體系、元素復合時序性、誘發(fā)組織相變機制、強韌性等級匹配等問題尚不明確，冶煉、軋制、冷卻和熱處理全流程中復合第二相粒子的演化行為和作用機理還未掌握。
（2）利用鋼中第二相異質(zhì)粒子進行焊接熱影響區(qū)性能調(diào)控的技術手段還不成熟，晶內(nèi)第二相異質(zhì)形核促進針狀鐵素體的生長機制仍不清楚，特別是當焊接熱輸入提高時，如何利用第二相粒子以何種機制保證焊接韌性成為共性難題。
（3）復合第二相粒子的種類、尺寸、分布與材料低溫韌性的改善關系還有待明確，減少斷裂裂紋源的方法缺少理論指導和實踐驗證，通過改性復合第二相粒子調(diào)控不可逆氫陷阱密度提高抗氫致開裂的理論有待完善。
（4）針對免預熱焊接工藝的高強鋼開發(fā)缺少理論指導和工藝思路，在高強鋼的高合金成分的設計體系中復合粒子合金元素的選用和控制方法成為難題，后續(xù)焊接工藝過程中組織匹配調(diào)控方法有待進一步探討。
二、解決問題的思路與技術方案
基于上述背景，2012年起，依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃重點專項“高強度、大規(guī)格、易焊接海洋工程用鋼及應用”等國家級項目，開展“產(chǎn)學研用”項目合作，對復合第二相精細化控制技術提升中厚板焊接性、低溫韌性、耐酸腐蝕性等關鍵性能的機理進行了系統(tǒng)研究，建立了高強高韌鋼鐵材料冶煉、軋制、冷卻、熱處理以及焊接工藝全流程一體化第二相控制體系技術。該技術在超大熱輸入船舶海工鋼、高強韌管線鋼等系列產(chǎn)品上實現(xiàn)了推廣應用。
三、主要創(chuàng)新性成果
1.本項目系統(tǒng)研究了復合第二相在鋼液中析出的熱力學、動力學條件，揭示了微細第二相粒子的復合球化析出行為和形成規(guī)律。針對不同鋼種性能需求實現(xiàn)個性定制化的復合第二相粒子設計和控制，明確了特定氧勢條件下Ti、Ca等元素添加時序性，闡明了第二相微細化、復合化、球狀化、彌散化控制的關鍵共性技術原理，開發(fā)冶煉、軋制、冷卻、熱處理全流程一體化第二相控制技術，實現(xiàn)具有高溫熱穩(wěn)定性的復合第二相粒子在鋼中基體細小彌散分布。
2.針對400MPa級具有高熱輸入焊接需求的船舶海工鋼種，形成以MgO-Al2O3為核心外層包裹TiO2的典型復合第二相體系，在冷卻相變后明確典型復合第二相粒子與AF間的晶體學關系以及周圍奧氏體穩(wěn)定元素的溶質(zhì)分布狀態(tài)，揭示溶質(zhì)貧乏及低能共格界面誘導晶內(nèi)異質(zhì)形核機理，掌握亞微米尺寸大基數(shù)復合第二相誘導生成具有大角度晶體取向的細密狀針狀鐵素體的控制方法。解決低碳高強鋼HAZ在大線能量條件下發(fā)生組織粗化、韌性惡化的核心難題。
3.針對500MPa級高強韌和耐蝕管線鋼，本項目改性鋼中傳統(tǒng)第二相，實現(xiàn)微米級第二相粒子復合彌散化分布，減少因大尺寸硬脆類第二相導致的裂紋源產(chǎn)生，通過TMCP工藝控制多相組織比例協(xié)調(diào)加工變形能力，具有小尺寸鐵素體晶粒和大角度晶界占比的基體組織為裂紋擴展提供有效的阻礙作用。闡明通過第二相改性提高不可逆氫陷阱密度改善鋼材耐硫化氫腐蝕性能機理，提升耐硫化氫蝕性能和延遲斷裂性能。解決管線鋼在大變形條件下韌性不足、在服役過程中耐腐蝕性能不足的問題。
4.針對高強免預熱易焊接鋼Q690D，采用高合金比例低碳當量的成分體系設計，利用Zr合金化形成復合第二相粒子，并結合TMCP特種工藝形成全板厚第二相及相變組織均勻化控制。明確微細復合第二相粒子在高溫下降低奧氏體晶界遷移速率、延緩奧氏體晶粒長大機制，結合異質(zhì)形核作用在HAZ中形成具備大角度晶界的多位向貝氏體組織，抑制裂紋擴展，滿足焊接強韌性需求，解決高強鋼韌性不足、焊前預熱的難題。
四、應用情況與效果
2015年以來，本項目成果已經(jīng)在南鋼進行了重點推廣和應用，其中DH36-W200、EH460-W150和Q690D等產(chǎn)品總體技術達國際領先水平，E40-W600系列產(chǎn)品在國內(nèi)首家獲得ABS、BV、CCS、DNV、LR多家船級社認證，實現(xiàn)下游用戶焊接效率提高8倍以上。
南鋼A~EH36-W100~200-Z35高熱輸入焊接船體及海工結構用鋼應用于半潛打撈工程船、FPSO、集裝箱船、液化石油氣船等項目，經(jīng)用戶反饋，產(chǎn)品板型平整，力學性能均勻穩(wěn)定，強韌性匹配優(yōu)良，具有良好的可焊性。
2019年7月南鋼X80管線鋼應用于中俄東線天然氣管道項目。2022年，南鋼X80M鋼板用于西氣東輸三線和四線天然氣管道項目，鋼板制管后焊接性能穩(wěn)定，熱影響區(qū)及焊縫沖擊功數(shù)據(jù)指標優(yōu)于標準，鋼管整體表現(xiàn)出良好的強韌性。
2019年，南鋼生產(chǎn)的60mm厚Q690D鋼板采用獨特的治煉工藝和生產(chǎn)流程，國內(nèi)首次通過免預熱焊接工藝評定，焊接接頭的性能指標顯著提升。
以綠色、高效為目標的多尺度復合第二相精細化調(diào)控一體化技術具有行業(yè)示范和推廣作用，大幅提高下游用戶生產(chǎn)效率，減少資源能源消耗，符合國家建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型綠色材料工業(yè)的總體要求。南鋼建立了高強高韌鋼鐵材料多尺度復合第二相精細化調(diào)控控制工藝技術體系，提升我國船舶海工、交通運輸、工程機械、能源環(huán)保等領域關鍵核心材料的國產(chǎn)化保障，有力支持并促進我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)結構轉(zhuǎn)型和下游行業(yè)的快速高質(zhì)量發(fā)展，提升了我國鋼鐵行業(yè)水平和全球競爭力。
信息來源：南京鋼鐵股份有限公司
