科技新进展：基于多尺度复合第二相精细化调控的高强韧中厚板产品设计及应用

一、研究的背景与问题

第二相粒子调控是实现钢铁材料强韧化的重要手段，在组织中形成尺寸细小、弥散分布、成分可控的第二相粒子，可以改良传统大尺寸第二相属性，成为晶界钉扎和相变形核质点，变害为利，使钢材具有优异的韧性、抗硫化氢腐蚀能力，尤其能够显著提升焊接性能。但在本项目实施前，甚至在实施过程中，普遍存在第二相氧化物粒子难以精细化和稳定化控制的问题，出现多批次多钢种性能大幅波动现象，这源于技术理论理解不充分和工艺控制方法不成熟，主要体现在以下几方面：

（1）关于复合第二相粒子精细化技术控制原理缺乏系统研究，针对脱氧合金体系、元素复合时序性、诱发组织相变机制、强韧性等级匹配等问题尚不明确，冶炼、轧制、冷却和热处理全流程中复合第二相粒子的演化行为和作用机理还未掌握。

（2）利用钢中第二相异质粒子进行焊接热影响区性能调控的技术手段还不成熟，晶内第二相异质形核促进针状铁素体的生长机制仍不清楚，特别是当焊接热输入提高时，如何利用第二相粒子以何种机制保证焊接韧性成为共性难题。

（3）复合第二相粒子的种类、尺寸、分布与材料低温韧性的改善关系还有待明确，减少断裂裂纹源的方法缺少理论指导和实践验证，通过改性复合第二相粒子调控不可逆氢陷阱密度提高抗氢致开裂的理论有待完善。

（4）针对免预热焊接工艺的高强钢开发缺少理论指导和工艺思路，在高强钢的高合金成分的设计体系中复合粒子合金元素的选用和控制方法成为难题，后续焊接工艺过程中组织匹配调控方法有待进一步探讨。

二、解决问题的思路与技术方案

基于上述背景，2012年起，依托“十三五”国家重点研发计划重点专项“高强度、大规格、易焊接海洋工程用钢及应用”等国家级项目，开展“产学研用”项目合作，对复合第二相精细化控制技术提升中厚板焊接性、低温韧性、耐酸腐蚀性等关键性能的机理进行了系统研究，建立了高强高韧钢铁材料冶炼、轧制、冷却、热处理以及焊接工艺全流程一体化第二相控制体系技术。该技术在超大热输入船舶海工钢、高强韧管线钢等系列产品上实现了推广应用。

三、主要创新性成果

1.本项目系统研究了复合第二相在钢液中析出的热力学、动力学条件，揭示了微细第二相粒子的复合球化析出行为和形成规律。针对不同钢种性能需求实现个性定制化的复合第二相粒子设计和控制，明确了特定氧势条件下Ti、Ca等元素添加时序性，阐明了第二相微细化、复合化、球状化、弥散化控制的关键共性技术原理，开发冶炼、轧制、冷却、热处理全流程一体化第二相控制技术，实现具有高温热稳定性的复合第二相粒子在钢中基体细小弥散分布。

2.针对400MPa级具有高热输入焊接需求的船舶海工钢种，形成以MgO-Al₂O₃为核心外层包裹TiO₂的典型复合第二相体系，在冷却相变后明确典型复合第二相粒子与AF间的晶体学关系以及周围奥氏体稳定元素的溶质分布状态，揭示溶质贫乏及低能共格界面诱导晶内异质形核机理，掌握亚微米尺寸大基数复合第二相诱导生成具有大角度晶体取向的细密状针状铁素体的控制方法。解决低碳高强钢HAZ在大线能量条件下发生组织粗化、韧性恶化的核心难题。

3.针对500MPa级高强韧和耐蚀管线钢，本项目改性钢中传统第二相，实现微米级第二相粒子复合弥散化分布，减少因大尺寸硬脆类第二相导致的裂纹源产生，通过TMCP工艺控制多相组织比例协调加工变形能力，具有小尺寸铁素体晶粒和大角度晶界占比的基体组织为裂纹扩展提供有效的阻碍作用。阐明通过第二相改性提高不可逆氢陷阱密度改善钢材耐硫化氢腐蚀性能机理，提升耐硫化氢蚀性能和延迟断裂性能。解决管线钢在大变形条件下韧性不足、在服役过程中耐腐蚀性能不足的问题。

4.针对高强免预热易焊接钢Q690D，采用高合金比例低碳当量的成分体系设计，利用Zr合金化形成复合第二相粒子，并结合TMCP特种工艺形成全板厚第二相及相变组织均匀化控制。明确微细复合第二相粒子在高温下降低奥氏体晶界迁移速率、延缓奥氏体晶粒长大机制，结合异质形核作用在HAZ中形成具备大角度晶界的多位向贝氏体组织，抑制裂纹扩展，满足焊接强韧性需求，解决高强钢韧性不足、焊前预热的难题。

四、应用情况与效果

2015年以来，本项目成果已经在南钢进行了重点推广和应用，其中DH36-W200、EH460-W150和Q690D等产品总体技术达国际领先水平，E40-W600系列产品在国内首家获得ABS、BV、CCS、DNV、LR多家船级社认证，实现下游用户焊接效率提高8倍以上。

南钢A~EH36-W100~200-Z35高热输入焊接船体及海工结构用钢应用于半潜打捞工程船、FPSO、集装箱船、液化石油气船等项目，经用户反馈，产品板型平整，力学性能均匀稳定，强韧性匹配优良，具有良好的可焊性。

2019年7月南钢X80管线钢应用于中俄东线天然气管道项目。2022年，南钢X80M钢板用于西气东输三线和四线天然气管道项目，钢板制管后焊接性能稳定，热影响区及焊缝冲击功数据指标优于标准，钢管整体表现出良好的强韧性。

2019年，南钢生产的60mm厚Q690D钢板采用独特的治炼工艺和生产流程，国内首次通过免预热焊接工艺评定，焊接接头的性能指标显著提升。

以绿色、高效为目标的多尺度复合第二相精细化调控一体化技术具有行业示范和推广作用，大幅提高下游用户生产效率，减少资源能源消耗，符合国家建设资源节约型、环境友好型绿色材料工业的总体要求。南钢建立了高强高韧钢铁材料多尺度复合第二相精细化调控控制工艺技术体系，提升我国船舶海工、交通运输、工程机械、能源环保等领域关键核心材料的国产化保障，有力支持并促进我国钢铁产业结构转型和下游行业的快速高质量发展，提升了我国钢铁行业水平和全球竞争力。

信息来源：南京钢铁股份有限公司