钢的高性能化理论与技术进展

董 瀚

1,2

廉心桐

1胡春东1陆恒昌1彭 伟1赵洪山1徐德祥

1 上海大学材料科学与工程学院

上海 200444

2 钢铁研究总院

北京 100081

摘 要 高强度化始终是钢的发展主题，同时还需要解决高强度化后导致的韧塑性降低、疲劳破坏和延迟断裂

敏感性增加等问题。在获得高的力学性能之后，实际应用时还需要材料具有良好的工艺适应性与服役性能，

达到合适的材料生产-零件制造-服役评价的技术匹配。本文以耐候钢、合金结构钢、紧固件用钢、高氮奥氏体

不锈钢、马氏体不锈钢为案例，回顾并展望了与耐腐蚀、高强度、高品质等相关的材料发展动向。近年来的实

践充分证明了技术基础研究是创新的源泉，从全产业链流程的组织与性能调控进一步转向合金化的再认识与

利用，可能是今后一段时间应该考虑的问题。

关键词 钢，高性能，理论，技术

中图分类号 TG142

文章编号 0412-1961(2020)04-0558-25

High Performance Steels: the Scenario of Theory

and Technology

DONG Han

1,2, LIAN Xintong

1, HU Chundong

1, LU Hengchang

1, PENG Wei

1,

ZHAO Hongshan

1, XU Dexiang

1

1 School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China

2 Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China

Correspondent: DONG Han, professor, Tel: (021)66135968, E-mail: 13910077790@163.com

Supported by National Key Research and Development Program of China (Nos.2017YFB0304401 and 2017YFB-

0304701), China Postdoctoral Science Foundation (No.2019M651465) and Shanghai Educational De‐

velopment Foundation (No.2019-01-07-00-09-E00024)

Manuscript received 2020-02-21, in revised form 2020-03-07

ABSTRACT Strengthening and toughening are the main topics of steels, and accompanied fatigue fail-

ure and delayed fracture requiring to be solved simultaneously. Not just more than that, better perfor-

mances in fabrication and service are quite important for an intentional steel to be used eventually. It is

worth to pay close attention to match up three main courses: steel processing, component fabrication and

service evaluation. Over past two decades, ferrite grains can be refined to micron scale in both plain low

carbon steel products and microalloyed steel products and lead to remarkable increase of strength. The

reason to define the limitation of ferrite grain refinement to microns is ductility decrease, low processing

efficiency and heat affected zone (HAZ) coarsening. Ten years ago, a novel microstructure M3 (multi-

phase, metastable and multiscale) was proposed to overcome the problems stated above, and led to duc-

tility and/or toughness improvement. It based on the idea of crack initiation and propagation retardment. It

资助项目 国家重点研发计划项目Nos.2017YFB0304401、2017YFB0304701，中国博士后科学基金项目No.2019M651465和上海市

教育委员会科研创新计划项目No.2019-01-07-00-09-E00024

收稿日期 2020-02-21 定稿日期 2020-03-07

作者简介 董

瀚，男，1962年生，教授

通讯作者 董

瀚，13910077790@163.com，主要从事钢铁材料基础理论研究与工程技术研发工作

DOI 10.11900/0412.1961.2020.00058

4期

董 瀚等：钢的高性能化理论与技术进展

led to prevalence of the 3rd generation advanced high strength steel (AHSS) and the 3rd generation high

strength low alloy (HSLA) steel, presenting higher ductility and/or toughness at high strength level.

In the near future, it is imaginable that polymorphic alloying will be taken into consideration instead

of recent hot issue on microstructure control during whole processing. From the view point of classic alloy-

ing theory, solution and precipitation of alloying elements play an important role on processing and then fi-

nal microstructure. The distribution and occurrence of small atom radius elements (e.g. C and N) and

comparable atom radius elements (e.g. Cr, Mn, Ni, Co) in iron seem quite clear. The ambiguous situation

still remains for B and P, and even larger atom radius elements such as rare earth (RE) elements. Segre-

gation of small amount of them to defects and boundaries maybe lead to decrease of energy and result in

remarkable change of microstructure characterization. Thanks to the advancement in processing and in-

strumentation technologies, the distribution and occurrence of alloying elements in steel and the advan-

tages of different alloying elements in steel matrix and surface can be taken, so called the polymorphic al-

loying.

The practices of polymorphic alloying in steel development are engaged to improve corrosion resis-

tance, strengthening and toughening. The performance enhancements are discussed in cases of weath-

ering steel microalloyed with RE, ultrahigh strength steel strengthening by carbide and intermetallic pre-

cipitates, bolt steel with C and microalloying elements, austenitic stainless steel alloyed with N, and mar-

tensitic stainless steel alloyed with C and Ag.

KEY WORDS steel, high performance, theory, technology

公元前1500年左右，在安纳托利亚高原的赫梯

人首先开始了人工制铁，铁器就再也没有离开过人

类社会。以器物物质划分人类文明的铁器时代一直

在延续。工业革命开始以后，人们对钢铁的需求持

续增长。1820 年，Faraday 开始了合金钢的研究工

作，被认为是合金钢研究的开始。19世纪，英国、美

国开始了大量的合金钢的研究工作。特别值得一提

的是19世纪后半叶大规模液态冶金技术的出现，进

一步促进了钢铁材料的开发。19世纪中后期，英国

的高锰钢和工模具钢等合金钢品种出现。20 世纪

初期，英国、德国、美国对不锈钢的研发倾注了大量

精力。20 世纪上半叶，美国的合金钢品种不断涌

现。20世纪后半叶，在微合金化技术与连续退火技

术的研究基础上，低合金钢和汽车钢层出不穷。管

线钢可以做到 X120 级别 ，冷轧汽车钢可以达到

1300 MPa 级别。今天许多在汽车上大量使用的钢

材，在 30 年前还没有出现。可以说，钢是不断并快

速发展的新材料。

21世纪又过了20年，在未来的21世纪里，我们

的世界可能出现什么样的钢，这是工业界和学术界

都非常关心的问题。

从近代史发展看，各钢铁大国均在钢铁材料的

发展中做出了突出贡献。19世纪中期的英国、20世

纪上半叶的美国、20世纪下半叶的日本等都开发出

大量钢铁材料品种，当然也包括了一直是钢铁强国

的德国。对于钢产量已经十多年一直占世界一半的

中国，现在这是一个不得不认真思考的问题。

提高强度是钢铁材料研发的永恒主题。晶粒细

化被认为是唯一能同时提高强度和韧性的方法。20

世纪 60 年代，微合金化与控轧控冷技术的运用，使

得人们在晶粒细化方面走的越来越远，以至于到了

90年代，人们开始研究将铁素体晶粒细化到亚微米

级的方法，期待可以将低合金钢的强度从 400 MPa

级翻番提高到 800 MPa 级。日本国家材料研究所

(NIMS)長井寿牵头做的Ultra Steel项目的目标是将

晶粒细化到 1 μm 以下 ，随后韩国浦项钢铁公司

(POSCO)周雄龙牵头的 HIPERS-21 项目也有类似

目标。翁宇庆院士带领我国钢铁研发优势团队

从 1997 年的国家科技部攀登预选项目开始 ，到

1998~2003年的国家科技部973项目(新一代钢铁材

料的重大基础研究)以提高强度为目标，目标除了将

400 MPa 级微合金钢的晶粒细化促进强度翻番至

800 MPa 级外，与日本和韩国的不同之处，还有将

200 MPa级普碳钢的强度通过晶粒细化翻番。

翁宇庆

[1]研究工作最大的亮点是明确了微米级

尺度(4~10 μm)的铁素体+少量珠光体是可以工业化

接受的晶粒细化范围，称之为微晶钢。通过1999年

提出的变形诱导铁素体相变(DIFT)技术可以很好地

实现上述目标。目前，生产微晶钢已经成为许多钢

企的常态。20世纪最后几年到21世纪的最初几年，

是以东亚为主的钢铁材料基础研究最为活跃的几

年。在21世纪的最初10年里，翁宇庆

[2]针对高强度

化后出现的延迟断裂和疲劳破坏问题，采用界面强

化(boundary)、夹杂物控制(inclusion)、氢陷阱导入

559

56 卷

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属

学

报

(trapping)相结合的方法(BIT)，开发了长寿命高强度

紧固件用钢和弹簧钢技术。

在钢铁材料研究方面的学术活动也是非常活

跃。主要的国际学术会议有 ISUGS 和源自中日韩

政府项目的ICASS，后来2个会议合并，于2010年在

中国桂林召开时演变成为延续到了今天的ICAS，会

议内容包括了更多的先进钢铁材料。钢铁材料的技

术基础研究始终受人们的关注。徐匡迪院士和干勇

院士十分重视钢铁材料技术开发工作，促成了2004

年以钢铁研究总院为主成立的先进钢铁材料技术国

家工程研究中心，开展了大量的先进钢铁材料技术

研发工作。依托上海大学建设的特殊钢国家重点实

验室也在技术基础方面做了大量有益的工作。北京

科技大学、东北大学、中国科学院金属研究所、上海

大学、武汉科技大学等单位在钢铁材料技术基础研

究方面也都做出了显著的贡献，同时需要感谢钢企

与用钢企业的市场需求牵引作用。

到了2010年，对于钢铁材料的技术基础研究又

有了更大的提升，一大批年轻有为的青年钢铁材料

科学家积极投身其中。大家有一个共识，就是钢铁

行业不是夕阳工业，钢铁材料是我们社会的最重要

的原材料，钢铁材料是不断发展的新材料。针对强

度提高伴随塑韧性下降的问题，2010 年，以钢铁研

究总院为主提出了通过“多相(multiphase)、亚稳

(metastable)、多尺度(multiscale)”的 M

3 组织调控方

法

[3]，有效地阻碍了裂纹形成与扩展，形成了第三代

先进高强汽车钢技术、高塑韧性低合金钢技术、耐

650 ℃铁素体耐热钢技术。最近的 20 年间，在特殊

钢领域的进展也是十分显著，以提高质量为基础，开

发更高性能品种为目标的高品质特殊钢凝聚了许多

力量开展工作。

提高强度始终是钢铁材料发展的主题，需要解

决强度提高同时伴随的寿命与加工工艺性能的变

化。未来，还需要关注的有钢铁材料的腐蚀、疲劳、

磨损 3 大问题，当然钢铁材料的环境与人类的适应

性也是需要关注的问题。工业生产的钢，其纯净度

和均匀度已经达到很高水平，小原子半径的C、N元

素协同间隙固溶与脱溶；与Fe原子半径相近元素的

置换固溶；原子半径介于上述之间的 P、B 元素的赋

存；Cu、Ag元素在基体中以金属态存在；大原子半径

La、Ce、Y元素的界面偏聚等现象都可能在一种钢里

出现，因此是应该考虑这种多形合金化(polymor‐

phic alloying)及其效果的时候了。历时 200 年的合

金化走到了今天，我们在现有钢铁材料生产与应用

条件下，需要大家关注并重新审视钢铁材料的合金

化问题。

1 提高钢的耐大气腐蚀性能

1.1 国内外耐大气腐蚀钢的研究

腐蚀是钢铁材料服役过程中普遍存在的失效问

题。据不完全统计，每年因腐蚀造成的经济损失占

国内生产总值(GDP)的3%左右。所以，各国都非常

重视开发耐大气腐蚀性能的钢铁材料技术。耐大气

腐蚀钢(以下简称耐候钢)是指在钢中加入一定量的

合金元素，如P、Cu、Cr、Ni等来提高钢在大气环境下

的耐腐蚀性能。早在 1900 年，欧美科学家发现 Cu

能够改善钢在大气中的耐腐蚀性能。1933 年美国

钢铁公司首先研发出Cor-Ten系列耐候钢，主要用于

制造铁路车辆

[4]。Cor-Ten钢的力学性能比普碳钢提

高 30%，耐腐蚀性能显著提高。1941 年，首个耐候

钢标准(ASTM A-242)提出；1968 年，根据 P 含量将

耐候钢细分成 2 类，Cor-Ten A ((0.07%~0.15%)P，质

量分数，下同)及 Cor-Ten B (≤0.04%P)

[5,6]。1992 年，

美国联邦(FHWA)、美国钢铁协会(AISI)及美国海军

共同开发了高强钢(HPS)用于桥梁建筑。HPS 通过

降低C、P及S含量提高可焊接性能、提高Mn含量上

限改善断裂韧性及屈服强度、形成保护性锈层来提

高耐腐蚀能力

[7]。新日本制铁公司后来从美国钢铁

公司引进了Cor-Ten系列耐候钢，并开发出多种场合

应用的耐候钢。自此，耐候钢在欧美、日本等国家的

建筑设施、桥梁、车辆等方面得到广泛应用。

我国于 20 世纪 60 年代起开始深入研究耐候

钢，目前已研发出多种耐候钢，主要有：低 P 含 Cu、

Cr、Ni 的 耐 候 钢 ，高 P 含 Cu、Cr、Ni 的 耐 候 钢

(09CuPCrNi-A 和 09CuPCrNi-B)，高 P 含 Ti 的耐候钢

(09CuPTiRE-A 和 09CuPTiRE-B)以及高 P 含 V 的耐

候钢(08CuPVRE)等。我国庞大数量的钢铁材料应

用的腐蚀失效问题，特别占总钢产量约70%的普碳

钢很容易被腐蚀导致服役失效，是急需解决的重要

问题。表1列出了20世纪耐候钢的发展历程。

1.2 已知的耐候钢耐蚀机理

钢在大气中的腐蚀是涉及多种发生在气相、液

相和固相界面的化学、电化学和物理过程，其腐蚀主

要以电化学腐蚀为主。钢表面在大气环境中凝结一

薄层液膜，伴随着液膜中溶解 CO2、SO2、NOx、H2S、

NH3等气体及盐离子(如 Cl

-)等，形成电解质溶液使

得阳极发生溶解，液膜中的 H

+或 O

2-在阴极上被还

原，推动电化学的发生。与不锈钢不同，耐候钢并不

形成致密的极薄钝化层，而是通过与周围介质不断

的交互作用，经过一段时间在钢表面形成稳定化锈

560

4期

董 瀚等：钢的高性能化理论与技术进展

层，极大程度延缓钢的进一步锈蚀。

耐候钢具有良好的耐腐蚀能力，合金元素起到

决定性作用，主要体现在3个方面

[8]：(1) 合金元素降

低锈层的导电性能，影响锈层中物相结构和种类；

(2) 加速钢均匀溶解，促进Fe

2+向Fe

3+转化，推迟锈的

结晶；(3) 阻塞裂纹，减少相关缺陷。其中，Cu 作为

耐大气腐蚀钢中最有效的合金元素，对其改善钢的

耐大气腐蚀性能的作用机理主要有 2 种观点：一种

是 Cu 能够促进钢阳极钝化，降低腐蚀速率；另一种

是 Cu 在基体与锈层间富集，形成以 Cu、P 为主与基

体紧密结合的保护层。P 元素作为阳极去极化剂，

与Cu配合，可加速钢的均匀溶解，促进Fe

2+向Fe

3+转

化，有助于形成均匀的锈层。Cr元素能在钢表面形

成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。研究

[9]认为，

提高Cr含量有利于细化α-FeOOH，有效抑制腐蚀性

Cl

-的侵入。Ni 元素使钢的自腐蚀电位向正方向变

化，增加了钢的稳定性。Ti及V元素的加入，更多是

通过形成TiN或者V的碳氮化物，抑制晶粒长大，从

而提高为耐大气腐蚀钢的析出强化和晶粒细化强化

效果；稀土(RE)元素是极其活泼的元素，在钢中加入

有利于净化钢液，细化枝晶，改变夹杂物性质、形态

和分布，减少腐蚀源点，从而提高钢的性能，也可有

效提高P、S、Cu等元素溶质非平衡分配系数。

耐候钢裸露在大气环境下，最初会形成与普碳

钢一样的锈层，但经过 3~5 a 的环境腐蚀，靠近基体

的锈层不断溶解再析出形成较为致密的非晶态羟基

氧化物

[10]。最终经过多年后，耐大气腐蚀钢形成稳

定的锈层，其中起主要保护作用的内锈层是富集了

Cr、Cu、Ni、P等元素的α-FeOOH，如图1所示。

钢铁材料的耐大气腐蚀是一个与介质、温度、时

Color online

图1 耐候钢锈层转变示意图

Fig.1 Schematic progress for stable and protective rust layer formation on a weathering steel

表1 20世纪耐候钢的发展历程

Table 1 Brief history of weathering steels in 20th century

Year

1900

1916

1933

1941

1955

1965

1965~1980

1984

1990

1992

1999

Development

US started to develop Cu-bearing steels

ASTM started research of weathering steels

Cor-Ten steel was developed by US Steel

First standard for weathering steels (ASTM A-242) was proposed

Japan started to develop weathering steels

09CuPTiRE sheet steel was developed by China

Japan, Germany, Britain and other European countries began to use exposed weathering steels

China formulated national standard of high weathering steels

First bridge using exposed weathering steels was built in China,

weathering steels was fully used in railway vehicle manufacture

High performance steels (HPS) was developed by US Federal Highway Administration (FHWA) for

bridge building

High weathering steels for JT towers were developed in China

561

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间、空间、地域等因素相关的非常复杂的问题，现在

的研究工作更多的还是实验现象的总结，并据此开

发出相关的耐候钢技术。在现象、规律与机理研究

等方面还有大量工作需要开展。

1.3 稀土在钢中应用的发展历程

稀土元素在钢中的应用一直受到关注，也有过

起伏，近年又开始被人们重视起来。稀土元素是指

原子序数从57至71的镧系15个元素和化学性质相

近的 Sc、Y 共 17 个元素。由于稀土原子性质活泼，

结合力较强。概括地讲，将稀土添加在钢中可以起

到改善凝固组织、改变固态相变组织、形成无害化低

熔点夹杂物、通过偏聚强化界面、钝化表面锈层等作

用，从而显著提高钢的韧性、耐腐蚀性能、抗疲劳性

能、耐热性能等。稀土作为我国富有的战略性资源，

其开发利用了大量富余的 La、Ce、Y，需要寻找量大

面广的应用场合，在钢铁材料中的合理应用是当今

的重要课题。

稀土元素的特殊性质决定了稀土耐候钢的发展

历程。由于稀土在钢液中与 O、S 有很强的亲和力，

20世纪50年代起，稀土应用在钢液中用于脱氧和硫

化物变性。20世纪70年代中后期，随着钙处理在钢

中逐渐广泛使用，钙处理取代了稀土处理的脱氧与

硫化物夹杂物变性作用。伴随着我国稀土开发的资

源合理利用与已有的稀土合金化重新认识，近年来

国内多个研究团队和钢企重新关注稀土钢的技术开

发。对于量大面广的普碳钢能不能通过稀土合金化

来提高其耐大气腐蚀性能是一个具有挑战性的问

题。如果可以，将实现低成本提高大量钢铁材料耐

腐蚀性能，形成具有中国特色的钢铁材料技术。

我们认为，大原子半径的La、Ce、Y稀土元素在

钢中的赋存状态是重要的关注点。在目前的冶金状

态下，稀土元素在钢中应该是以 2 种方式存在：(1)

与氧硫化合物结合形成复合夹杂物；(2) 偏聚在晶

界、相界和自由表面等界面处，如图2所示。与氧硫

化合物形成的稀土复合夹杂物可以改善材料的塑性

和韧性，同时降低与基体的电极电位差，阻碍由夹杂

物导致的点蚀发生。在晶界和相界偏聚的稀土元素

可以降低界面的自由能，减轻界面高能量导致的腐

蚀。偏聚在自由表面的稀土元素将起到钝化锈层的

作用。

1.4 稀土耐候钢研究进展

过去几十年国内外研究工作充分证明了稀土在

钢中的有益作用，早期的稀土通常作为脱氧剂加入

到钢液中，对钢液起到净化作用。随着钢的精炼与

凝固方式的改变，现代钢铁中的O、S含量控制较好，

稀土在钢中的主要作用更偏向于改变夹杂物的性质

及 状 态 以 及 稀 土 微 合 金 化 。 在 Q235 普 碳 钢 和

09CuPCrNi 耐候钢中分别加入一定量的稀土(其中

Q235RE 含 14×10

-6 Ce 和 30×10

-6 La，09CuPCrNiRE

含300×10

-6 Ce和110×10

-6 La)并进行比较，发现夹杂

物形貌及尺寸均发生显著变化

[11]。稀土合金化前，

Q235及09CuPCrNi钢中的夹杂物以MnS以及Al2O3

为主，尺寸在3 μm左右，形状不规则，与基体结合不

紧密，部分夹杂发生脱落。稀土合金化后，夹杂物由

不规则块状转变为球状，且夹杂物尺寸减小至 0.5~

1 μm。稀土合金化后，Q235及09CuPCrNi钢中的夹

杂物分别转变为稀土-氧硫化物及稀土-硫化物。说

明钢中加入适量稀土元素后，夹杂物发生改性，转变

为尺寸更小的球状稀土夹杂物，其主要原因是稀土

夹杂物的形成能较低

[12]。

而稀土夹杂物的转变，显著提高了钢的抗点蚀

能力。Liu等

[11]研究中的阻抗图中显示，稀土的加入

增大了容抗弧的半径。低频时出现的电感收缩现象

表明钢处于点蚀诱发的阶段，溶液中的阴离子 SO4

-

等在电极表面富集从而发生点蚀。添加稀土后的容

抗弧半径明显增大，说明稀土元素提高了钢抗点蚀

能力。采用等效电路图对阻抗谱进行拟合，结果表

明，稀土合金化后的电荷转移电阻明显提高，说明稀

土可有效降低腐蚀倾向，阻碍电荷在电极表面双电

层间的转移，抑制电极反应的发生，从而提高耐腐蚀

性能。钢中的非金属夹杂物是点蚀主要的诱发源，

尤其是MnS和Al2O3夹杂物。MnS夹杂物与钢基体

之间存在腐蚀微电池，MnS 是良导体并且电极电位

比 Fe 要高，在腐蚀系统中充当着阴极的作用，而基

体作为阳极会先发生溶解；另一方面夹杂物与基体

结合处氧化膜薄弱，很容易受到侵蚀性离子的破坏，

Color online

图2 稀土元素在钢中赋存示意图

Fig.2 Schematic of the occurrence of rare earth ele‐

ments in steel (RE — rare earth, G.B. — grain

boundary)

562

4期

董 瀚等：钢的高性能化理论与技术进展

使周围基体处于活化状态，优先发生溶解产生Fe

2+，

随后 Fe

2+发生水解产生 H

+，造成了夹杂物与基体界

面处局部酸化，pH 值降低，促进了 MnS 夹杂物的溶

解，诱发了点蚀的发生和扩展。钢中加入稀土后，尺

寸较小的球状稀土夹杂物减小了与基体的接触面

积，进入活化状态的基体减少，活化面积减少，从而

减弱了夹杂物与基体之间的微区电化学腐蚀，使钢

的耐点蚀能力提高

[13]。

采用周期浸润腐蚀实验，实验溶液为 0.01 mol/

L NaHSO3水溶液，实验温度为 45 ℃，相对湿度为

70%。周期浸润循环时间为 60 min，其中浸润时间

为12 min，暴露时间为48 min，腐蚀时间为24、48、96

及 144 h。如图 3 所示 ，稀土合金化后的 Q235 及

09CuPCrNi钢的腐蚀速率均有明显降低，其中Q235

钢加入稀土后的腐蚀速率与未加稀土的09CuPCrNi

钢腐蚀速率相当。仅仅在普碳钢中加入少量稀土就

可达到与加入多种耐蚀元素的耐候钢相近的抗腐蚀

效果，而稀土合金化后的 Q235RE 钢的经济成本显

著低于09CuPCrNi钢，因此，稀土对钢耐蚀性能的提

高作用不可忽视。

实验结果表明，稀土使钢耐腐蚀性能显著提高，

而稀土在钢中的赋存状态和踪迹也至关重要。由于

RE 与 Fe 的原子半径相差较大，RE 作为表面活性物

质时，主要偏聚于晶界处，能够显著降低界面张力、

晶界能以及晶界迁移驱动力。以Ce原子为例，如图

4 所示，通过在深冷条件下制备了沿晶断口，采用

Auger电子探针(AES)从晶界向晶内进行深度溅射，

观察 RE 特征峰的变化。结果表明，在溅射初期(溅

射时间为 0 和 0.5 min 时)，断口表面由于轻微氧化，

O 含量较高但并未发现 Ce 原子富集现象。当溅射

时间为 1 min 时，O 含量明显下降，表明溅射束已穿

透氧化层到达晶界，同时出现了较明显的Ce原子的

特征峰值。随着溅射时间继续延长，Ce原子的特征

峰值再次消失，此时已经溅射到晶内。因此证明Ce

原子确实向晶界偏聚，偏聚层非常薄，根据离子溅射

参数估算 ，RE 原子的偏聚层只有几个原子层的

厚度。

除此以外，对盐雾实验 72 h 后的锈层通过电子

探针(EPMA)进行元素分析，发现在锈层与基体的界

面处出现了稀土元素的聚集。说明在耐大气腐蚀钢

锈层的形成过程中，RE原子会向锈层与基体结合的

界面处迁移，提高了锈层和基体的结合力，增强了锈

层的致密性，阻碍腐蚀性 Cl

-进入，减缓基体的进一

步腐蚀。但 RE 原子究竟是存在于锈层中还是基体

中尚需要深入研究。

1.5 稀土耐候钢的应用前景

已有的基础理论研究与生产实践均证明，稀土

合金化是提高钢铁材料耐腐蚀性能的有效方法之

一。稀土钢发展至今的主要问题在于：稀土合金化

机理尚有待深入研究，相关的技术质量控制方向不

明确；稀土有效加入方法与稀土合金元素收得率不

图3 添加稀土前后的 Q235 和 09CuPCrNi 钢周期浸

润腐蚀144 h后的样品形貌及腐蚀速率

Fig.3 Corrosion morphologies after dry-wet cycle test

for 144 h (a) and corrosion rate during immer‐

sion test (b)

图4 09CuPCrNiRE钢中Ce元素的AES谱

Fig.4 AES spectra of Ce in 09CuPCrNiRE steel

563

56 卷

金

属

学

报

高。上述问题可能导致稀土元素在钢中不仅没有起

到有利作用，反而成为有害夹杂物，造成连续生产过

程的间断。

“稀土，稀土，稀里糊涂”是我国稀土耐候

钢开发中的真实写照。深入探索稀土在钢中的赋存

与踪迹以及作用机理成为亟需解决的基础科学问

题。探索新型稀土加入方法，保证稀土元素在钢中

的收得率不低于70%，保证生产过程连续顺行，才能

形成工业化的稀土合金化技术。我们的研究表明：

稀土在钢中与氧硫化物结合可变性夹杂物，在各种

界面偏聚提高界面性能。在目前先进的冶金生产工

艺流程条件下，在科研人员的努力下，有望很快解决

上述问题。结合中国富余的La、Ce、Y稀土资源，在

量大面广的普碳钢中通过稀土合金化，普遍低成本

地提高钢材的耐大气腐蚀性能，可实现钢铁材料的

减量化使用，形成具有中国特色的钢铁材料技术。

2 合金结构钢的高强度化

合金结构钢属于合金钢与特殊钢中量大面广的

一类材料，是机械零件制造的关键原材料，广泛应用

于机床、汽车、高铁、船舶、飞机、火箭、电站、武器、海

工等装备制造。

1820 年，Faraday 在钢中添加 Cu、Ni、Cr 及贵金

属(Rh、Pd、Os、Ir、Pt 和 Au)，想仿制出大马士革钢。

尽管未发展出有实际用途的钢种，但是Faraday被认

为是发展合金钢的先驱。1869 年 Beur 发明的铬钢

用于密西西比河上跨度为158.5 m的拱桥桁架大桥，

标志着合金结构钢的诞生。1882~1883 年，Hadfield

研制出锰钢(Hadfield钢Mn13)，其成分延用至今，广

泛应用于矿山和铁路耐磨零部件，他是现代合金钢

的奠基人。19世纪末，英、法、美等国开始镍钢的研

究和生产，继而开发出中碳镍铬钢，世界大战期间，

由于合金资源的紧缺，减少了 Ni 的使用，逐渐在合

金结构钢中加入Cr、Mn、Mo、Si、V等元素。20世纪

40年代中期，工业发达国家均已建立了比较完善的

合金结构钢体系和相应的标准。

我国在合金结构钢方面的研究起步较晚。建国

时，我国尚没有自己的钢铁行业标准，当时是参照苏

联和东德标准，直至1952年我国才制定了第一套合

金钢标准。至20世纪60年代，钢铁研究总院研制了

一系列合金结构钢，包括应用于主战坦克装甲的含

稀土无镍装甲钢603，逐渐形成了合金结构钢体系，

并形成了与齿轮、紧固件、弹簧、轴承等相关的基础

件用钢体系。80 年代，我国紧跟国际技术发展动

向，开发了一系列非调质钢。改革开放以来，伴随着

以汽车工业为主的技术发展，我国合金结构钢吸取

了德国、日本、美国等先进技术，逐步完善我国合金

结构钢体系。现行合金结构钢标准是 GB/T 3077-

2015《合金结构钢》，与 GB/T 3077-1999 相比，该标

准中合金结构钢杂质元素 P、S 含量控制更严格，各

等级钢中的 P、S 含量均下降 0.005%，体现了我国钢

铁冶金技术的持续进步。

2.1 淬透性和淬硬性

大多数合金结构钢加工的零件需要经过热处理

以达到服役要求的性能，所以钢的淬透性和淬硬性

是合金结构钢的重要工艺性能衡量。

淬透性是指钢在一定奥氏体化条件下淬成全部

或部分马氏体的能力，淬硬性是指钢淬火后所能获

得的最高硬度。钢的淬硬性主要取决于马氏体的含

C量，与合金元素基本无关，而淬透性则受多种因素

影响，如钢的化学成分、奥氏体晶粒尺寸及奥氏体化

程度等。

在合金钢的发展历史上，淬透性和淬硬性一直

是备受关注的性能。早在19世纪末，人们已发现Ni

可以很好地提高淬透性，并开发出高淬透性中碳镍

铬钢。当时使用了少量、多种合金元素组合，以增加

钢淬透性，而不是大量使用单一合金元素。20世纪

30 年代末人们可以生产按淬透性供货的合金结构

钢(H钢)，到了40年代末，美国制定了第一个按淬透

性供应的标准，50 年代末，许多工业发达国家先后

都建立了保证钢淬透性的标准。

淬透性对改善机械零件的工艺性能和使用性能

具有重要意义。零件变形问题除设计和工艺因素

外，淬透性是一个很重要的因素。淬透性高的试样

易于成弧形，反之成凹形。因此生产时为了保证零

件变形的可控性，要将淬透性控制在同一变形规律

的较窄范围内，这就是淬透性带宽技术。以齿轮钢

为例，淬透性带宽越窄离散度越小，越有利于齿轮的

加工及提高其齿合精度。化学成分均匀性是影响齿

轮淬透性带宽及离散度的重要因素。

钢的淬透性预测是实现窄淬透性带宽精确控

制、低热处理畸变的重要手段。具有代表性的预测

模型有理想临界直径法

[14]、非线性回归方程

[15]及人

工神经网络淬透性

[16]等预测模型。近年来，随着计

算机、大数据等技术飞速发展，淬透性预测模型研究

在不断发展中。

2.2 强化与韧化

提高强度是合金结构钢发展的永恒主题，然而

提高强度首先需要解决塑性和韧性下降的问题，还

需要考虑强度提高导致的疲劳破坏(当抗拉强度≥

1500 MPa)和延迟断裂(当抗拉强度≥1200 MPa)倾

564

4期

董 瀚等：钢的高性能化理论与技术进展

向。需要在钢材生产、零件加工、服役评价方面统一

考虑性能提高的可行性。

钢铁材料强度的发展还有很大空间。1956 年，

Brenner 在钢晶须中获得 13 GPa 的抗拉强度。1990

年，日本制铁生产的冷拔珠光体钢丝，其抗拉强度可

达5.7 GPa，商业化子午线轮胎用冷拔珠光体钢丝的

最高抗拉强度可达7.0 GPa。大多数热处理马氏体钢

的抗拉强度在 600~1800 MPa 范围内。目前超高强

度钢工业生产的最高抗拉强度接近2400 MPa。这些

强度离晶须强度和理想强度尚有一定的距离，说明依

靠缺陷强化的钢铁材料仍然有一定的提高强度潜力，

还需要探索依靠缺陷强化的强度极限，如图5所示。

强度和塑韧性倒置问题，限制了钢的高强度化

发展。图 6

[17~35]统计了常用合金结构钢和新研制钢

种的抗拉强度和塑韧性。图中显示了人们所知的规

律：强度提升，塑韧性下降。从理论来讲，无缺陷

bcc 结构单晶 Fe 沿<100>晶向的理论断裂强度为

10~14 GPa，而在弹塑性材料中，裂纹尖端的应力是屈

服强度的4倍多，因此当钢材屈服强度为2.2~3 GPa

时，裂纹尖端的强度已超过理论断裂强度，材料将发

生脆性断裂。另外，多晶材料中会发生应力集中、晶

界脆化等现象，因此强度级别越高，材料脆性断裂的

趋势越大。通过热处理可以获得 2200 MPa 级马氏

体钢，尽管韧塑性不高，但在部分需要超高强度的应

用场合下获得了工业应用。

采用传统碳固溶与析出的马氏体强化方式难以

获得理想的强度和韧塑性匹配，强韧化方式需要新

突破。2017年，Jiang等

[17]采用高密度共格纳米析出

相获得2200 MPa级钢，创新性提出纳米析出强化理

论，对合金设计优化很有意义。同年，He 等

[18]报道

了高塑性2200 MPa级超高强度钢的研究结果，通过

提高位错密度，均匀延伸率达到 16%。该研究突破

了经典理论中认为高位错密度会提高强度，同时降

低塑性的认知

[36]，对钢的强韧化发展很有贡献。