海洋工程用钢方向研究进展

轧钢之家 · 2026-1-21 13:57:33

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基于M3组织调控的钢铁材料基础理论研究与高性能钢技术

钢铁共性技术协同创新中心海洋工程用钢团队在新一代高性能钢铁材料研发上实现了开拓创新。团队发明了“多相组织-亚稳奥氏体-多尺度析出”（M3）组织调控技术，通过多步热处理过程中奥氏体逆相变、合金元素富集及纳米析出协同作用机制，获得兼具高强度、高韧性、低屈强比的M3组织。研发了500-1000MPa级高韧塑性、低屈强比和优异焊接性能的第三代低合金钢技术，开发了500-1000MPa级均匀延伸率大于10%、总延伸率20%-30%的高性能钢铁材料。为打破韩国、日本等国家对超大型集装箱船用特厚止裂钢的国际垄断地位，团队利用M3组织调控原理，与鞍钢合作成功研发了最大厚度90mm的EH40/EH47高性能多相组织止裂钢，成为国内首个获得船级社认证的特厚止裂钢产品，打破了国外垄断。相关成果获得国家技术发明二等奖、辽宁省科学技术进步奖二等奖、冶金科学技术奖二等奖。

02

低碳贝氏体钢中的Nb-B复合微合金化技术

铌硼复合微合金化可以细化中温转变产物——各种类型的贝氏体。研究团队通过控制Nb在适当温度、适当时机在适当位置析出，抑制变形奥氏体的回复再结晶，为随后的过冷奥氏体转变提供更多形核位置。通过控制B在钢的连续冷却过程中的非平衡偏聚，抑制铁素体晶界形核，从而使得贝氏体成为主要的相变产物。通过终轧后的弛豫析出处理，在变形奥氏体中形成阻碍贝氏体长大的稳定位错亚结构，得到充分细化且高热稳定性的贝氏体组织。基于Nb/Mo对奥氏体晶粒长大倾向性的影响研究，尤其是深入研究固溶Nb的作用机理，成功开发了高Nb管线钢系列产品。基于对Nb在铁素体中析出的深入研究，成功开发了低成本工程机械用钢系列产品。相关成果获得2011-IOMMM（英国材料、矿业、矿产学会）Charlse Hatchett优秀论文奖、北京市科学技术发明奖二等奖。

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高强度桥梁钢的设计与开发

团队系统研究了Nb-B对形成针状铁素体的作用，开发了针状铁素体组织控制技术，在钢中添加Nb、B，通过界面偏聚和碳化物析出促进针状铁素体的形成，提高强度和韧性；提出了通过临界淬火回火制造大厚度钢板的工艺技术路线，揭示了690MPa级桥梁钢的多相组织调控机理（见图1），实现了优异的强韧匹配（-40℃冲击功≥120J）和低屈强比（0.85），同时具有优良的焊接性能。WNQ570桥梁钢成功应用于京沪高铁南京大胜关长江大桥，相关成果获得国家科技进步二等奖、冶金科技进步一等奖、湖北省科技进步二等奖等。

04

功能复合型建筑用钢的设计与开发

研究团队创新性提出了低碳、节Mo型、多元复合微合金化设计原则，形成了沿海大气腐蚀环境、短时高温以及瞬时强应变多场耦合服役条件下基于多相组织的多模式协同智能析出（MIP）调控理论。以全链条创新设计、一体化组织为指导思想，突破了高强度、多规格抗震耐蚀耐火钢的稳定生产关键技术，国际上首次生产了厚度10-150mm的460MPa级抗震耐蚀耐火钢板及10.9级高强耐蚀耐火螺栓、耐蚀耐火焊材等配套材料，批量生产1000吨以上，开发了配套的连接以及应用技术，助力了南通国际会展中心示范工程。10.9级高强耐蚀耐火螺栓、耐蚀耐火焊材等配套材料及利用项目原型技术生产的系列抗震耐蚀耐火钢应用于2022年北京冬奥会滑雪大跳台裁判室的建设，为该技术品种推广起到了良好的示范效应。在690MPa级高强抗震耐蚀耐火钢的合金设计、生产工艺、组织性能控制方面取得了重大进展，突破了耐火钢依赖高Mo合金化的传统设计理念，揭示了残余奥氏体及不同马氏体组织协同作用，建立了690MPa级抗震耐蚀耐火钢多步热处理全过程纳米析出控制技术，实现了组织和性能稳定化控制，国际上首次完成了690MPa级抗震耐蚀耐火功能复合化钢的工业生产，填补了世界空白。

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低密度海工钢的设计与开发

研究团队首次在完全由BCC相构成的金属材料板材中利用显微组织调控实现了从室温到-196℃夏比冲击吸收功的线性下降，使BCC金属韧性随温度下降出现突发性恶化的特点得到了根本性抑制（见图2），从而可以有效提升BCC金属材料在低温环境下的服役可靠性，以此来应对突发性环境温度下降带来的脆性断裂风险。对全δ-铁素体低密度钢的组织调控及增韧机理进行了系统的研究和分析，提出了创新的δ-铁素体组织细化及韧化控制工艺。阐明了Zr对抑制δ-铁素体组织长大的作用机制。同时揭示了铝元素在低密度钢模拟海洋大气腐蚀锈层中的存在状态，发现铝原子可取代铁原子存在于腐蚀产物α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH和Fe

3

O

4

中，铝原子在三种羟基氧化铁中皆有固定氯原子的作用，可抑制β-FeOOH的形成，促进γ-FeOOH和α-FeOOH的形成，同时铝会细化锈层产物晶粒，提高抗氯离子腐蚀能力，降低腐蚀速率。

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显微组织数字化表征与性能分析技术

针对贝氏体/马氏体显微组织结构复杂，无法从统计意义上进行定量化分析的难题，通过引入机器学习方法，实现了对贝氏体/马氏体组织中不同类型界面的高通量定量化表征（见图3）。基于所获得数字化显微组织表征结果，针对特定成分体系钢种成功建立了高精度的组织-性能关联模型。基于上述贝氏体/马氏体组织的数字化表征方法，从晶体学角度深入研究了不同类型界面对位错塞积、解理裂纹形成和扩展作用的差异，加深了对钢铁材料韧化机理的认知。相关技术应用于宝钢工业大脑项目，鞍钢高品质中厚板智慧化制造系统等项目，为我国高强韧极寒船舶与海洋工程用钢、一万标箱以上集装箱船用止裂船板、极寒环境服役X80管线钢等产品的研发和生产提供了有力支撑。相关成果获得冶金科学技术特等奖、冶金科学技术奖一等奖、辽宁省科技一等奖、山东省材料学会科技成果奖一等奖。

（钢铁共性技术协同创新中心海洋工程用钢研究所：王学敏郭晖李秀程王学林丛菁华）

钢铁知识宝库轧钢之家20241108

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