析出物强化
点缺陷(空位)固溶强化 线缺陷(位错)位错强化
超细晶钢 细晶钢
如何形成超细晶的理论和技术？
高洁净度 夹杂物对钢材疲劳强度的影响
在疲劳极限时的强度 (108 周),σw/MPa
1200 1000
S35C,45C,55C,SMn438,443,SCM43 5,440,SCr440,SNC631
C
Si
S
a. 柱状晶发达
81.29
42.51
22.91
b. 等轴晶发达
90.21
71.34
55.98
国际共同开展新一代钢铁材料的研发
1997年日本提出超级钢概念（强度翻番、寿命翻番），随 后各国相继安排了类似目标的科研开发项目。
年份
国别
项目
备注
1997年
日本
“超级钢”基础研究
科技厅，十年项目
1997年
第三阶段：n明显降低，剩余少量形核位置时的转变变缓过程
❖ 临界核心尺寸小
△GD= 50 J/mol
r*= 0.064 µm
DIFT 是一个形核为主的过程
频数 晶粒尺寸( m)
Q235；加热到 900℃；770 ℃
0.3
应变= 0.7；不同时间驰豫；
0.2
0s 晶粒数559
3s 晶粒数679
5s 晶粒数600
→ 相变的自 由能变化
Temperature, C
1100
1050
C-1.50%Mn-0.46%Si steel
1000
950
AD3
900
850
800 750
Ae3
+
700

Ae3 10J/m ol 40J/m ol 70J/m ol 100J/m ol
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Carbon content, wt%
日本
“超级金属”计划
解决控制制造技术
1998年3月
世界钢铁 协会
“超轻钢车身”
35家西欧、北美钢厂、 汽车厂参加
1998年
韩国
“21世纪高性能结构钢”
十年项目
1998年10月 中国 “新一代钢铁材料的重大基础研究” 第一期五年项目
2001年7月 欧盟
“超细晶粒钢”
英、德、意、比等国
2002年1月
日本
中国金属学会 翁宇庆
2007年2月4日 江苏 南京
内容
一、钢铁材料技术的发展方向 二、超细晶钢理论与技术进步 三、超细晶钢相关应用技术中
的几个问题 四、未来发展的一些思考
一、钢铁材料技术的发展方向
——钢铁是主导结构材料，也是产量最大的功能材料
1000
970
产量，百万吨
800
600
297
400
200
6.26
14.3
0
数据引自《2004年国家 统计公报》
乙烯 十种有色金属
钢材
水泥
钢铁品种主要是钢铁结构材料
2004年统计
功能用 钢,210.93万 吨占0.77%
不锈 钢,134.71万 吨占0.49%
2005年统计
功能用 钢,591.48万 吨占1.66%
不锈 钢,230.18万
吨占065%
结构用钢, 98.74%
20
40
60
80
100
ferrite volume fraction, %
40
without strain under strain
TMCP: -形核位置是不变的。
30
20
Q235, Influence of strain
on grain number during strain
10
enhanced transformation;
响
II. 纳米析出相促进超细晶钢的发展 III. 合金结构钢的晶粒细化
I-1 形变诱导铁素体相变 (DIFT)
热力学原理:
自 由 能 变
化
形变
非形变
碳含量
低碳钢和低合金钢的超细晶化
——形变和相变的耦合
→ 相变过程中的自由能变化
△G= –V(△Gv – △G E)+ △GS ……(1)
50 100 150 200 250 300 350
Stress(MPa)
带钢不同厚度点的温度历史
表面层冷速超过4000 K/s，冷速极快。在冷 速逐渐下降，温度开始 回升时表面层可能发生 铁素体相变，此时轧件 已有了相当大的应变累 积，有能力在晶界和晶 内同时形核。
超细晶与过冷度的关系
过冷度, K
超细晶粒
200m
采用多轴、大变形量，增加γ→α形核率
日本获得超细晶的技术思路：奥氏体再结晶轧制
Z exp( Q )
RT
T临界DRX＜T轧
自 由 能 变 化
形变 非形变
碳含量
1) 降温：从1200℃降到 1100℃；
2) 大变形量：ε 高，ΔGD
大；
3) 高应变速率：提高， Z升高。
0.1
10s 晶粒数658
30s 晶粒数830
0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16
晶粒尺寸( m)
20 Q235, 应变对晶粒长大的影响
在800℃ 应变 15
在770 ℃ 应变
在740 ℃ 应变
10
770 ℃ 没有应变
在770 ℃ 应变 5
0
0
20
40
60
80 100
铁素体体积分数(%)
中间包 及铸坯
簇群状 Al2O3
中间包钢水中的夹杂物
铸坯中的夹杂物
气瓶钢（HP295），武钢三炼钢生产，铸坯T[O]：12~19ppm。
高均质性 顺序凝固均质凝固
模铸偏析示意图 CSP铸坯柱状晶发达
在固液两相区中 各组元的分配系 数K：
K CS CL
CS ：组元在固相中 含量，%
CL ：组元在液相中 含量，%
在形变时，如果能储存部分形变能并转变成相变驱动力，
则
△G= –V(△Gv – △G E)+ △GS – △GD … (2)
这里：
△Gv △G E △GS △GD
体积自由能变化 弹性应变能变化 表面自由能变化 形变储存能变化, 可以用 △GD=1/2b2 来描述。
△GD 的出现是在热连轧和应变速率较高条件下形成的。
结构用钢, 97.69%
钢铁材料存在的主要问题
1. 比强度低
（日本1994 年价格）
比强度 MPa/比重
比强度价格
钢 铝合金 钛合金
水泥
Al2O3 陶瓷
碳纤维
木材
聚丙烯
52 111
133
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
8（抗压 强度）
974
1609
125
39
1 3.9
16.7
0.4
4.0
5.2
0.8
3.8
高强钢铁材料比铝-锂合金、镁合金等比较，比强度差别 更大。
280
表面
240
200
160
120
超细晶粒 中心
0.0
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0
相对厚度
⑵ DIFT为高形核率相变
转变动力学——三阶段特征
750C，10s-1
＝0.4
＝0.6
＝1.0
＝1.6
第一阶段：n=4，符合Cahn的“位置饱和机制”，铁素体在原奥氏体 晶界及三叉界的形核
第二阶段：n=1~1.5，不符合Cahn 的“位置饱和机制”，晶内奥氏体 /铁素体前沿畸变区的大量形核
DIFT 理论的实验证明
ε=60%
1150℃-5 ℃ /s825℃-WQ
1150℃-5 ℃ /s 825℃ atε=60% -WQ
形变和相变耦合的直接试验证明
DIFT是一个动态相变过程 相变发生在轧制过程中，而传统的TMCP（控轧控冷） 相变发生在轧后冷却中。
(110)-Fe
DIFT（形变诱导铁素体相变，Deformation Induced Ferrite Transformation）的特性
钢铁用于航空、航天、交通移动等作结 构件竞争力较弱。
钢铁材料存在的主要问题
2. 洁净度低
由于采用火法冶金
1200 1000
S35C,45C,55C,SMn438,443,SCM43 5,440,SCr440,SNC631
SUP7,9A,12
SKD61,11
σw=0.5σ
在疲劳极限时的强度 (108 周 ),σw/MPa
DIFT 的铁素体晶粒长大比没有形变的 → 相变的晶粒长大速 度小的多。
N x103(/mm2) A ferrite grain number, mm -2
DIFT: -形核位置是连续变 化的。
DIFT 可以获得超细 晶铁素体。
40000 30000 20000 10000
0 0
DIFT-09CuPTiRE-Nb TMCP steel
⑴ 受形变参量和过冷度控制
温度作用 （过冷奥氏体的变形）
增大过冷度， 相变驱动力 和新相形核 率加大，生 长率减小， 可获得超细 晶。
形核率
生长率
变形储能作用
形变作用 形变参数的影响
（、、、道间冷
却……）
Gdis. ( 0 )b2
Mb( 0 )1/ 2
0.11C-0.25Si-1.48Mn0.048Nb (mass%)
0
0
20
40
60