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強(qiáng)化節(jié)能以減排CO2，抑制地球變暖已成為全球共識(shí)，為確保2020年單位GDP CO2排放量比2005年降低40%-45%的承諾，我國(guó)在“十二五”規(guī)劃中提出，CO2排放指標(biāo)將和節(jié)能指標(biāo)共同作為約束性指標(biāo)進(jìn)行考核。鋼鐵行業(yè)作為高耗能工業(yè)，面對(duì)這一形勢(shì)，除了從生產(chǎn)工藝上改進(jìn)以節(jié)能減排CO2外，還應(yīng)多生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材，為汽車、船舶等交通運(yùn)輸工具和房屋、橋梁等鋼結(jié)構(gòu)制造節(jié)材、節(jié)能，為減排CO2做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，這亦是鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式由大變強(qiáng)的一條重要途徑。
1 日本重視提高鋼材強(qiáng)度以減排CO2
早在1997年“京都議定書”規(guī)定了日本2010年的CO2排放量比1990年降低6%的目標(biāo)。據(jù)此，由日本鐵鋼聯(lián)盟組織全行業(yè)制定的企業(yè)節(jié)能環(huán)保志愿計(jì)劃中提出以下目標(biāo)：1)生產(chǎn)節(jié)能10%;2)通過發(fā)展高強(qiáng)鋼、優(yōu)質(zhì)電工鋼、耐蝕鋼等高級(jí)鋼材，為車、船、建筑鋼結(jié)構(gòu)等節(jié)材、節(jié)能等社會(huì)間接節(jié)能4%;3)利用廢塑料100萬t，折合節(jié)約生產(chǎn)用能的1.5%;4)利用鋼鐵廠低溫余熱供社區(qū)取暖空調(diào)等折合節(jié)約生產(chǎn)用能的1%。近年由于進(jìn)入正式考核期，要求鋼材進(jìn)一步提高強(qiáng)度的呼聲越來越高，企業(yè)行動(dòng)步伐亦在不斷加快。如神戶制鋼已開發(fā)成功近2000MPa級(jí)超高強(qiáng)度汽車用鋼板，新日鐵等高爐鋼廠會(huì)同國(guó)際30余戶大鋼廠組成汽車輕量化協(xié)作會(huì)，計(jì)劃開發(fā)強(qiáng)度為目前2-3倍的超高強(qiáng)度鋼，使汽車車重減輕25%-30%，節(jié)油20%以上。以屈服強(qiáng)度達(dá)1500MPa時(shí)為例，則比強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)超過超硬鋁比強(qiáng)度，車重自然減輕。另外，使用高強(qiáng)度化強(qiáng)力螺栓時(shí)，不僅尺寸變小，而且用鋼量減少，且鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)亦可緊湊化和輕量化。
但在高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用中，隨強(qiáng)度提高的同時(shí)，還需保持相應(yīng)的韌性，這有賴于熱處理以取得相應(yīng)的金相組織。鋼鐵材料由奧氏體冷卻至室溫的過程中可發(fā)生鐵素體相變、珠光體相變、貝氏體相變和馬氏體相變，這為提高強(qiáng)度的同時(shí)改善韌性創(chuàng)造了有利條件。如將合金成分、加工和熱處理有效組合，則可在200MPa-4GPa的大范圍內(nèi)得到所要求的抗拉強(qiáng)度水平。鋼鐵材料中最常用的為低合金鋼，即在碳以外的其他合金元素之和<10%，其屈服強(qiáng)度可達(dá)1400MPa以上水平，但由于韌性、耐延遲破壞性和耐疲勞性等性能不匹配時(shí)，則應(yīng)用范圍受到限制。
為解決上述問題，主要有提高材料的抗破壞性和消除應(yīng)力集中兩個(gè)途徑。解決鋼鐵材料的耐破壞性主要有以下方法：1)降低產(chǎn)生脆化的P、S等有害成分和夾雜物;2)降低含碳量;3)加入Ni等合金元素;4)晶粒細(xì)化;5)在Al-Li合金和管線用鋼等低溫材料中多應(yīng)用層狀剝離現(xiàn)象(包括析出和裂縫等)。上述方法中，低合金鋼強(qiáng)韌化最重要的方法為晶粒細(xì)化和利用層狀剝離現(xiàn)象。
2 晶粒細(xì)化
晶粒細(xì)化可降低晶界的應(yīng)力集中，并降低有害元素的影響，使其在提高屈服強(qiáng)度的同時(shí)，還可使脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)降低。在材料脆性破壞應(yīng)力上升時(shí)產(chǎn)生脆性轉(zhuǎn)變，鐵等體心立方金屬多在低溫區(qū)屈服應(yīng)力快速上升時(shí)表現(xiàn)出明顯的韌脆性轉(zhuǎn)變。晶粒細(xì)化可使屈服應(yīng)力和脆性破壞應(yīng)力同時(shí)上升，但由于上升幅度后者比前者大，導(dǎo)致DBTT下降。以下就單相組織鋼為代表的鐵素體組織和雙相組織鋼為代表的馬氏體組織進(jìn)行說明。
2.1 鐵素體組織
近10余年間，日本學(xué)術(shù)和鋼鐵業(yè)將此作為國(guó)家級(jí)項(xiàng)目(超級(jí)鋼鐵、超級(jí)金屬和環(huán)境友好型超微細(xì)粒鋼創(chuàng)新基礎(chǔ)技術(shù))，一直在進(jìn)行含碳<0.2%的低碳低合金鋼在低溫大變形下使鐵素體組織粒徑達(dá)1μm以下的超微細(xì)化研究。例如，從1997年到2005年的超級(jí)鋼鐵項(xiàng)目，對(duì)相當(dāng)于SS400、SM490的低碳低合金鋼經(jīng)軋制或鍛造，壓縮比達(dá)到2.5以上時(shí)可使鐵素體晶粒細(xì)化至1μm以下，此時(shí)抗拉強(qiáng)度則由過去的400MPa倍增至800MPa。此外，還有形狀不變的高壓扭轉(zhuǎn)加工使粒徑細(xì)化至數(shù)百μm以下時(shí)，高純鐵(含碳僅0.11%)的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1800MPa的實(shí)例。但是，鐵素體系的超微細(xì)晶強(qiáng)化卻使正常延伸率明顯下降，即由縮頸產(chǎn)生的不均勻變形成為延伸的主體而使延性下降。為提高均勻延伸率需提高加工硬化率，其改善方法為：使碳化物、氧化物、奧氏體和馬氏體等復(fù)相粒子在基體中超微細(xì)分散，即所謂超微細(xì)復(fù)相組織化。另外，對(duì)低溫區(qū)軋制產(chǎn)生的超微細(xì)晶鋼進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵素體粒徑細(xì)化至1μm以下時(shí)，則DBTT可降至液氮溫度以下，否則沖擊吸收能則下降。其主要原因是伴隨大變形軋制加工的織構(gòu)所產(chǎn)生的層狀剝離明顯化和由細(xì)晶強(qiáng)化所產(chǎn)生的延性降低。但以電解淀積制成的Co納米晶粒材料(粒徑18nm)，盡管未產(chǎn)生層狀分離但延性破壞領(lǐng)域的沖擊吸收能仍較粗粒材料明顯降低。初步認(rèn)為，晶粒細(xì)化強(qiáng)化所產(chǎn)生的延性降低，同樣亦和沖擊吸收能的降低有關(guān)。但目前對(duì)超微細(xì)粒鋼韌性的議論還缺乏一定的數(shù)據(jù)，特別是對(duì)僅由晶粒細(xì)化可使屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa以上的等軸鐵素體細(xì)粒鋼還未見相關(guān)數(shù)據(jù)的報(bào)道。今后應(yīng)對(duì)韌性的晶粒粒徑依存性的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和詳細(xì)解析。
