基于纳米铁碳析出物的钢综合强化机理

傅 杰，李光强，于月光，毛新平，方克明

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083;2.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉 430081;3.北京矿冶研究总院，北京 100044;4.广州珠江钢铁有限责任公司，广州 510730)

基于纳米铁碳析出物的钢综合强化机理

傅 杰1，2，李光强2，于月光3，毛新平4，方克明1，2

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083;2.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉 430081;3.北京矿冶研究总院，北京 100044;4.广州珠江钢铁有限责任公司，广州 510730)

简要叙述了关于钢强化机理的研究现状，用化学相分析+X射线小角散射、RTO方法及高分辨透射电镜对薄板坯连铸连轧钛微合金化高强耐候钢中纳米粒子的属性进行了综合分析。发现钛微合金化高强耐候钢中尺寸＜36 nm的粒子，除纳米TiC以外，还存在大量的纳米Fe3C，其体积分数为同尺寸TiC体积分数的4.4倍，析出强化作用比纳米TiC粒子大，不可忽略;提出了钢的综合强化机理，指出对不同种类、不同尺寸的纳米析出粒子，应分别根据位错切割和位错绕过机理计算出析出强化贡献，然后与固溶强化和细晶强化贡献加和，求得钢的屈服强度;讨论了细晶强化与位错强化不能加和的原因以及相变对钢强度影响的表现形式，对钛微合金化高强耐候钢屈服强度的理论计算与生产结果相符，实验钢σs=630～676 MPa，实际σs=630～680 MPa。简述了钢综合强化机理的应用情况，指出了有待进一步研究的科学问题。

屈服强度;纳米铁碳析出物;纳米TiC;析出强化;钢的综合强化机理

1 研究现状

钢铁是一个国家实现工业化的基础材料，钢的强度，特别是屈服强度是钢结构的一个重要使用性能。半个多世纪以来，各国的钢铁冶金和材料科学工作者对钢的强化机理进行过大量深入的研究。我国近十多年来攀登计划B项目“高强高韧钢的基础研究”、973项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”、国家自然科学基金重点项目“薄钢板连铸连轧过程钢的组织性能控制与检测”等，其主要内容均是通过研究钢的强化机理，达到提高钢的强度，实现钢结构轻量化，促进国民经济可持续发展的目的。

钢的强化机理，总体说来可分为两类:一类是单一强化机理。钢具有不同的强化机理，包括固溶强化、细晶强化、析出强化、位错强化、相变强化(或亚晶强化)等。近年来，比较一致的看法是钢的主要强化机理可归结为:固溶强化、细晶强化、析出强化和位错强化4种，其中，细晶强化随晶粒细化，既可提高强度，又能提高钢的韧性，其他强化手段都不同程度地降低钢的韧性。第二类是钢强化机理的加和法则，即认为钢的屈服强度等于各种强化机理对钢屈服强度贡献之和。

1.1 超细晶强化

细晶强化实质上是晶界强化。晶界对位错运动的阻力导致晶界强化，晶界面积愈大，钢的强度愈高;晶粒尺寸愈细，晶界面积愈大，即平均晶粒尺寸愈细，钢的强度愈高。提高晶界本身的强度，也会导致钢强度的提高。细晶强化的理论基础是Hall－Petch 公式［1，2］:

1997年，日本、中国、韩国在各自政府的支持下，相继开展了研制新型钢铁材料的工作，日本称之为“超级钢”，我国称之为“新一代钢铁材料”，韩国称之为“先进结构钢”，其理论依据和指导思想是Hall－Petch公式，认为结构钢材的主要强化机制是细晶强化，研究目标是通过将晶粒尺寸细化到1 μm，甚至是亚微米(亚结构板条束宽度)，实现钢的强度翻番，对低合金钢和合金钢分别达到抗拉强度800 MPa和1500 MPa。我国与外国不同，在“新一代钢铁材料的重大基础研究”(973项目)中，除将抗拉强度800 MPa改为屈服强度为800 MPa，还包括对使用广泛的400 MPa级碳素钢的研究。研究目标是制造400 MPa级屈服强度的碳素钢热轧板卷和以Ⅲ级钢筋为目标的长型材。

经过大约6年的工作，从1997年到2003年，日本发现在工业条件下，利用现有装备与技术不能获得1 μm尺寸的晶粒。在实验室条件下，利用特殊工艺可将钢组织细化到亚微米级，但细晶强化与位错强化不能加和，钢的强度的实际值低于加和值［3］，终止了超级钢项目。

在同一期间，我国北京科技大学和珠江钢厂合作，发现低碳钢中存在纳米铁碳析出物，具有显著的析出强化作用，开发出了屈服强度为400 MPa级的HSLC钢，提出了钢的综合强化机理。2003年，“钢组织性能的综合控制理论”研究项目被评为2003年度中国高等学校十大科技进展之一。

实验研究和生产实践证明:无论是400 MPa级的铁素体珠光体钢，还是800 MPa级的贝氏体钢，均不是超细晶钢(平均晶粒尺寸为5～10 μm)，钢的强度翻番不是由于晶粒细化的结果(在相同晶粒尺寸条件下，屈服强度可相差100～300 MPa以上)。

1.2 钢强度的加和法则

2003年4月至2007年3月，日本举行了“屈服强度与显微组织关系研讨会”，开展了4年的研究活动，调查了对各种钢的屈服强度起支配作用的组织结构因素，其成果在191—192回西山纪念讲座上作为教材进行了报告［3］。报告指出:一般的低碳钢如图1所示，直到晶粒为1 μm，晶粒直径d减小时，屈服强度与d－1/2成比例增加，符合Hall－Petch关系，细晶强化量可按下述经验式(3)计算:

图1纵轴上的截距值与单晶材料的屈服强度对应，包含了固溶强化值，式(3)曲线代表固溶强化和细晶强化的加和值。不同类型的钢，d－1/2前面的系数不同，即曲线具有不同的斜率和截距，晶粒尺寸对强度的影响不同，固溶强化及细晶强化贡献不同。

图1 钢铁材料的Hall－Petch关系［3］Fig.1 Hall－Petch relation of iron and steel materials［3］

从式(3)曲线可知，低碳钢晶粒尺寸为10～5 μm时，σs约为 190～270 MPa。但实践指出:HSLC钢 ZJ330晶粒尺寸约为 8～10 μm，σs可达410 MPa，并保持伸长率为29%［4］; 含 Ti 约0.09%的钛微合金化高强耐候钢(HSLA钢)，晶粒尺寸为 2.9 ～ 3.8 μm［5］，按式(3)计算的固溶强化与细晶强化值σs为352～307 MPa，但实际可达700 MPa［6］。显然，对σs作贡献的尚有其他的强化机制，固溶强化与细晶强化的加和值与实际值之间的差距，可以认为是析出强化和位错强化机制导致的。

加工过程中，钢中产生大量的位错，钢中原有位错与受力过程中新产生的位错的交互作用或原有位错对新产生位错运动的阻力导致位错强化或加工硬化。位错对钢屈服强度的贡献与其密度的平方根成正比。文献［3］指出:固溶强化与位错强化的加和值，可用经验公式(4)(Bailay－Hirsch关系)表示。

截距的值包含了固溶强化，与基体自身强度对应，冷加工可以给铁导入的最大位错密度为1016/m2，位错强化贡献可以达到1200 MPa。

热轧钢材中位错密度＜1014/m2时，位错强化贡献消失［3］。在奥氏体再结晶或铁素体缓慢冷却(例如薄板卷取，钢材热处理)过程中，位错密度会降低。试验指出:1 mm厚薄板坯连铸连轧成品板材位错密度为2.8×1013/m2［4］。考虑到原有的位错密度与第二相析出粒子的钉轧作用有关，在计算了第二相粒子对钢屈服强度的析出强化以后，可以不再考虑原有的位错密度对新产生位错运动的阻力，即不再考虑位错强化贡献。文献［3］认为:细晶强化与析出强化不能加和，钢的屈服强度是由细晶强化和析出强化二者之一决定的。

2 钢中的纳米铁碳析出物及其对钢的析出强化作用

2.1 Ti微合金化高强耐候钢中的纳米铁碳析出物

薄板坯连铸连轧是当代先进的钢生产流程之一。近年来在国内外有着迅速的发展。薄板坯连铸连轧产品95%以上是含碳＜0.06% ～0.25%的低碳钢或低合金高强度钢。强度较高是薄板坯连铸连轧产品力学性能的重要特征之一。

在研究薄板坯连铸连轧HSLC钢强度高的原因时，文献［7，8］作者首先发现钢中存在大量纳米尺寸的氧化物和硫化物，其尺寸一般为几十纳米至几百纳米，并发现钢中存在大量尺寸＜20 nm的沉淀粒子，它们具有尖晶石类型的结构;文献［9，10］实验观察到钢中存在的纳米AlN粒子，其尺寸为几个纳米至几十纳米，并进行了动力学研究;文献［11，12］研究了用CSP工艺生产低碳钢中纳米碳化物及其对钢力学性能的影响，指出薄板坯连铸连轧低碳钢铸坯、轧卡件和钢材中均存在大量尺寸＜20 nm的析出物，主要为铁碳析出物，对钢起显著的沉淀强化作用。

文献［13］系统地研究了薄板坯连铸连轧低碳钢中存在的尺寸＜20 nm的铁碳析出物的类型，尺寸分布及体积分数。讨论了铁碳析出物对钢屈服强度的贡献。指出沉淀析出对HSLC钢材屈服强度的贡献与细晶强化的贡献相当。对于HSLC钢和低合金钢SPA－H，回火快冷试验前后，钢的晶粒尺寸未变，但钢的屈服强度可提高100 MPa以上，显然是由于钢中纳米铁碳析出物的析出强化作用导致的。

在实验室条件［14］和生产条件下［6］研究了钛微合金化高强耐候钢，发现钛微合金化对热轧钢板的强度具有显著的影响。文献［6］根据化学相分析及X－射线小角散射、电镜分析等方法研究了Ti的强化机理，发现随钢中钛含量增加，钢中纳米TiC的百分含量增加，钢的屈服强度提高。认为:Ti的强化作用主要是纳米TiC的析出强化。没有考虑铁碳析出物的影响，从而计算结果与实际不符。文章研究了薄板坯连铸连轧Ti微合金化钢中Fe3C和TiC的粒度分布及质量百分数。

表1列出了实验用钢的化学成分。

表2～表6分别为析出相结构参数，M3C及MC中各元素占钢的质量分数。2#试样的M3C类析出物的粒度分布，2#试样MC类析出物的粒度分布及实验钢的力学性能。

表1 实验用钢的化学成分Table 1 Chemical composition of experimental steels %

表2 析出相结构参数Table 2 Structural parameters of precipitates

表3 2#试样M3C及MC中各元素占钢的质量分数Table 3 M3C and MC element mass fraction in steel in No.2 sample

续表

从表3可知，析出相中质量分数最大的是渗碳体为主的M3C类化合物，其次是Ti(C，N)为主的MC类化合物，M(C，N)的质量分数与文献［6］中含Ti 0.09%钢的相同。X射线小角散射得到了2#试样的Fe3C和MC析出物的粒度分布数据，分别见表4和表5，实验用钢的力学性能见表6。

表4 2#试样的M3C类析出物的粒度分布Table 4 Size distribution of M3C precipitates in No.2 sample

表5 2#试样的MC类析出物的粒度分布Table 5 Size distribution of MC precipitates in No.2 sample

2#试样的M3C类析出物的平均粒径达到了72.2 nm;MC类析出物的平均粒径是109.1 nm，M3C类析出物的平均粒径比MC小。

为进一步研究HSLA钢中纳米铁碳析出物的存在，用RTO金属包埋切片微米—纳米表征法制备试样，用高分辨透射电镜进行了分析。

RTO金属包埋切片微米—纳米表征法(以下简称RTO表征法)是在室温下在有机溶液中用金属包埋微米—纳米切片试样的方法。这种方法解决了从微米—纳米材料中切取厚度为纳米级薄膜的难题，在微米—纳米材料研究中已成功获得了广泛应用［15］。从微米—纳米材料中切取薄膜的步骤见文献［16］。

表6 实验用钢的力学性能Table 6 Mechanical properties of experimental steels

采用RTO方法，把实验的热轧钢板在有机溶液中电解24 h，将得到的含有纳米析出物的电解液用无水乙醇分散于铜箔上，用前述的RTO方法将纳米析出物包埋于铜中;通过磨抛和离子薄化仪把包埋后的试样减薄到电子束可以穿透的薄度，然后进行高分辨透射电镜观察。

图2是从实验钢样中电解提取出来的析出物制成的RTO试样的透射电镜形貌照片。从图2可以看到，较多粒径在20 nm以下的析出物颗粒，呈多边形而非圆形和椭圆形。

图2 RTO试样的TEM照片(图中标尺20 nm)Fig.2 TEM morphology of RTO sample(the ruler shows 20 nm)

图3和图4分别是RTO试样中典型的Fe－C析出物和TiC类型析出物的能谱，从中可大致判断析出物中元素的原子百分比，由于纳米析出物颗粒很小，根据能谱分析的结果难以准确认定析出物的相组成。

图3 RTO试样中Fe－C析出物的XEDS谱Fig.3 XEDS spectrum of Fe －C precipitates in RTO sample

图4 RTO试样中TiC型析出物的XEDS谱Fig.4 XEDS spectrum of TiC precipitates in RTO sample

图5和图6是RTO试样中Fe3C和Ti(C，N)析出物的高分辨图像和电子衍射花样。

2.2 纳米铁碳析出物对钢的析出强化贡献

2.2.1 析出强化的理论计算公式

析出强化是通过钢中细小弥散的沉淀相，与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍，阻碍位错运动，使钢的强度提高的一种强化方式。

晶体中的位错，在运动前方遇到沉淀相阻碍时，表现出两种不同类型的交互作用，产生两种不同类型的强化机制，一是位错运动切割质点，称为切割机制;一是不穿过质点，而是绕过它，并在其周围留下位错环，称为绕过机制或Orowan机制。

按照T Gladman等采用的Ashby－Orowan修正模型的简化公式可以计算钢中细小析出粒子的析出强化作用［17］，粒子平均直径大于40 nm时，析出强化贡献不大。

式(5)中，σ是析出强化对屈服强度的贡献(增量)，MPa;是析出粒子的平面截距直径，μm;f是析出相的体积百分数。

当析出相粒子直径很小，且与基体的界面张力较小，成共格或半共格析出时，根据 Olson的工作［18～20］:

式(6)中，P是析出强化对钢屈服强度的贡献(增量)为位错线张力函数，K对刃型位错为(1－v)，对螺型位错为1，对混合型位错为泊松比，b为位错的柏格斯矢量的绝对值=0.248 nm;G为切变弹性模量 =80650 MPa;γ =0.5 ～1 J/m2，为析出粒子与基体的界面能;d是第二相粒子直径，μm;f是体积百分数。

由式(5)、式(6)可见，钢铁材料第二相颗粒以切割机制强化时，其强化效果正比于第二相体积分数的1/2次方和颗粒尺寸d的1/2次方，以绕过机制强化时，其强化效果正比于体积分数的1/2次方，大致反比于颗粒尺寸d，即切割机制的强化效果随粒子尺寸的增大而增大，绕过机制强化时，其强化效果随粒子尺寸的增大而减小，存在一个临界转换尺寸 dc［18 ～20］:

由于体积分数与粒径d与dc难以确定，式(5)～式(7)实际上是一组定性公式。

2.2.2 析出强化贡献的定量计算

Ti微合金化高强耐候钢的屈服强度随钢中Ti含量的增加而提高，如图7所示［6］。

图7 带钢Ti含量、厚度和屈服强度的关系［6］Fig.7 Yield strength relationship between Ti content，strip thickness and yield strength of strip steels［6］

根据文献［6］，［Ti］从0% ～0.1%左右，钢的屈服强度随Ti含量的提高而提高，不同含Ti钢晶粒基本相近(见图8)。含0.09%Ti的微合金高强度耐候钢中，Ti对屈服强度的贡献可达300 MPa以上，钢的屈服强度可达700 MPa级。减去固溶强化与细晶强化的加和值，析出强化与位错强化的贡献应在300 MPa以上。

图8 厚度4 mm不同Ti含量高强度耐候钢的显微组织Fig.8 Microstructures of high strength weathering steel with 4 mm thickness and various Ti contents

文献［6］用化学相分析和X射线小角散射研究了不同含Ti量钢中纳米TiC析出物的尺寸分布及体积百分数，发现随钢中Ti含量的提高，纳米TiC的体积百分数增加，认为钢的屈服强度的提高主要是由于纳米TiC的析出强化作用。

用公式(5)计算出＜36 nm的纳米TiC对Ti微合金化高强耐候钢屈服强度的贡献，结果见图9。

图9 小于36 nm的纳米TiC对Ti微合金化高强耐候钢析出强化的贡献Fig.9 The contribution of TiC precipitate with smaller than 36 nm to the yield strength of Ti microalloyed high strength weathering steel

结果表明，计算得到的含Ti 0.09%的高强耐候钢中 Ti对钢析出强度的贡献值(增量)仅为130 MPa左右，比实践结果低约200 MPa。其原因主要是没有考虑钢中可能存在的纳米Fe3C的影响。

为了证明这一点，用珠钢含Ti 0.09%的高强耐候钢重新作了一次化学相分析+X射线小角散射试验。

在考虑析出粒子对屈服强度的贡献时，应对不同尺度粒子，分别根据绕过机制和切割机制，同时考虑不同析出物的共同贡献。式(8)中:i为纳米析出物;σsp1i为按绕过机制计算的析出强化对钢屈服强度的贡献;σsp2i为按切割机制计算的析出强化对钢屈服强度的贡献。

根据式(5)～式(7)及表4，表5数据，计算纳米Fe3C和Ti(C，N)对Ti微合金化高强耐候钢屈服强度的贡献，结果见表7。

表7 纳米Fe3C和Ti(C，N)对Ti微合金化高强耐候钢析出强化的贡献Table 7 Contribution of Fe3C and Ti(CN)nanosized precipitates to the yield strength of Ti microalloyed high strength weathering steel

计算时，TiC 的dc=1.5～6 nm，Fe3C 的dc=4.7～10 nm，对纳米TiC，不同粒度的纳米粒子的析出强化作用均按绕过机制计算。对纳米Fe3C，小于10 nm的粒子按切割机制计算，大于10 nm的粒子按绕过机制计算，计算结果与实际相符，见表8。

表8中同时列出了根据文献［13］关于ZJ330及ZJ510数据的计算结果。进一步证实了纳米铁碳析出物的析出强化作用。

表8 屈服强度的计算值与实际值比较Table 8 Comparison of calculated yield strength values with those of actual measured

3 钢综合强化机理要点

1)HSLC钢中存在纳米铁碳析出物，存在析出强化机理;在钛微合金化的高强耐候钢中，亦存在纳米铁碳析出物。Fe3C纳米析出物的体积分数大于同粒径TiC的体积分数。应对不同种类及尺寸的纳米粒子，根据位错切割机理和位错绕过机理，同时考虑它们的共同贡献。

2)对低碳钢可以采用下述计算公式。

式(9)中:i为纳米析出物;σsp1i为按绕过机制计算的析出强化对钢屈服强度的贡献;σsp2i为按切割机制计算的析出强化对钢屈服强度的贡献。

计算析出强化贡献所需的纳米粒子体积分数及平均粒径，可通过化学相分析+X射线小角散射试验确定。

3)钢的综合强化机理定义。

钢的综合强化机理是“钢的屈服强度等于各种强化机理对钢屈服强度贡献之和”，是修正的加和法则。一定条件下，钢的屈服强度等于固溶强化，细晶强化与析出强化之和。

4)对于细晶强化，Hall－Petch公式的应用范围与物理意义。

应用范围:a.单相金属;b.Hall－Petch公式描述的是破断强度与晶粒尺寸的关系;c.屈服强度与晶粒尺寸的关系没有实验数据，Petch只是expected破断强度与下屈服点具有直线关系;d.如果有第二相析出，则公式需要修正，实际上晶粒越细，屈强比越高。

修正的Hall－petch公式中，Δσs为屈服强度，σ0包括相结构和成分对固溶强化的影响以及析出强化，Ky为不同成分与组织钢的屈服强度对晶粒尺寸的变化率。包括相结构及第二相析出对晶界强度的影响。在固溶强化与细晶强化项中包括了相变强化或亚结构强化。

5)在一定条件下，ρ＜1014/m2，位错强化可以忽略。

6)笔者认为，细晶强化与位错强化不能加和［3］，是因其在计算细晶强化时，采用贝氏体，马氏体板条束的宽度作为晶粒尺寸，而在贝氏体马氏体形成过程中已经伴随着大量第二相纳米粒子的析出和被纳米粒子钉扎的位错线产生。即在细晶强化的同时伴随着析出和位错强化的产生，加和等于重复计算。如果将晶粒尺寸考虑为铁素体尺寸(近似地可视为奥氏体转变之前的晶粒尺寸)，细晶强化符合Hall－Petch关系，此时细晶强化就可以与析出强化加和了。

4 钢综合强化机理及工程应用

4.1 回火快冷技术

通过回火快冷(亚调质)处理，可使珠江钢厂ZJ330成品板的屈服强度提高100 MPa以上［13］。

4.2 基于纳米铁碳析出物控制的新品种开发

4.2.1 HSLC 钢

根据Hall－Petch公式，要使Q195和 Q235的屈服强度从传统工艺的200 MPa提高到400 MPa，实现强度翻番是不可能的。基于发现薄板坯连铸连轧钢中存在大量的纳米铁碳析出物，通过控轧控冷，控制纳米铁碳析出物的析出行为，珠江钢厂与北京科技大学合作开发出了HSLC钢。HSLC钢是一种低碳锰系钢，不含微合金元素V、Nb、Ti，但其力学性能与类似成分的HSLA钢相当(见表9)。

HSLC钢具备各向同性特征，纵横屈服强度、拉伸强度、延伸率比大多为 0.96 ～1.10［11］。

HSLC钢强度高，塑性好，韧性也高。用作汽车板的ZJ510L的力学性能与低温冲击韧性见表10和表 11［4］。

表9 400 MPa级钢的化学成分及室温拉伸性能的对比Table 9 Comparison of chemical composition and room temperature strength in σs400 MPa steel grades

表10 珠钢ZJ510L钢板的平均力学性能Table 10 Average mechanical performance of ZJ510L produced by Zhujiang steel

表11 ZJ510L及ZJ550L在不同温度下的夏比冲击功Akv(J)Table 11 Charpy impact energy Akv(J)of ZJ510L and ZJ550L

4.2.2 集装箱板及Ti微合金化的高强耐候钢

基于对钢中纳米铁碳析出物的控制，珠江钢厂与北京科技大学合作在电炉－CSP生产线上，通过低碳、低氮控制及控轧控冷，生产出了C≤0.07%，Mn 0.25% ～0.5%，Si 0.25% ～0.50%，P 0.07%～0.12%，S≤0.01%，N ＜0.005%，Al＜0.04%的SPA－H集装箱板，实际合金元素总含量小于1%，σs在400 MPa以上。珠钢集装箱板年产量占世界集装箱板年总产量的1/4以上。

为了开发450 MPa级以上集装箱板，考虑到通过纳米析出物的析出强化贡献，北京科技大学与珠江钢厂合作，先后在实验室和生产条件下开发出了Ti微合金化的高强耐候钢。

珠江钢厂开发出了钛微合金化高强耐候钢系列板，不同 Ti含量的钢具有不同的强度级别。550 MPa级的Ti微合金化高强耐候钢板做成的集装箱比400 MPa级集装箱板减重15%，如表12所示。

表12 新一代轻量化集装箱减重效果Table 12 Results of weight reduction of new containers

4.2.3 正在开发的其他钢种

基于对钢中纳米粒子析出强化的控制，北京科技大学、武汉科技大学与钢厂合作［21，22］，正在开发的钢种见表13。

表13 正在开发的其他钢种Table 13 Other steel grades under developing

4.3 基于纳米铁碳析出物控制的钢的软化

文献［23］研究了基于纳米铁碳析出物控制的钢的软化，在略高于 A1温度进行回火缓冷，使ZJ330钢的屈服强度从350 MPa降低到220～250 MPa以下，结果见表14。

表14 A1附近温度回火缓冷对ZJ330钢力学性能的影响［4］Table 14 Effect of the tempering－slow cooling near temperature of A1 on the mechanical properties of ZJ330 steel［4］

4.4 基于纳米铁碳析出物控制的UHU工艺路线

王国栋院士发明了UFC超快冷技术，根据生产过程中钢的纳米析出物的控制观点，作者认为UHU工艺路线即UFC－Holding－UFC工艺路线对于宽厚板等的生产具有重要意义。它具有与薄板坯连铸连轧类似的热历史，连续冷却，可能使得在成品板材厚度较大的条件下，整个钢材体积内(边部、中心)纳米析出物的体积分数相同，从而钢的强度相同，生产出低成本高强度钢材。UHU可使铁素体+珠光体类型钢屈服强度达700 MPa。UHU工艺路线亦即文献［24］中提出的HTR－UFC－Holding－UFCCoiling工艺路线。

4.5 σb=1500 MPa先进高强钢的技术分析

中国和韩国先进高强度钢研究的主要目标之一是生产σb=1500 MPa的结构钢材。根据对钢中纳米铁碳析出物的控制思路和钢的综合强化机理，笔者认为，在制备σb=1500 MPa高强结构钢时，应采取下述技术措施。

4.5.1 增加固溶强化贡献

根据Orowan位错绕过机制，当纳米析出粒子的尺寸＞40 nm时，强化作用很小，应采用快冷，减少＞40 nm碳化物消耗的碳量。尺寸＜40 nm铁碳析出物和其他元素的碳化物消耗的碳含量较少，适当提高钢中碳含量会增加钢中固溶的碳量。而自由碳原子对提高钢的固溶强化贡献很显著。

此外，增加其他固溶合金元素的含量也可提高钢的固溶强化贡献(增量)。

4.5.2 增加析出强化贡献

V、Nb、Ti、Mo等的纳米碳化物会提高钢的析出强化贡献。但要注意纳米铁碳析出物的析出强化贡献，研究V、Nb、Ti、Mo等对钢中纳米铁碳析颗粒析出的影响。

4.5.3 提高回火温度及冷却速度

σb=1500 MPa的高强结构钢材，通常采用调质处理。根据回火快冷试验结果。600℃时碳的扩散速度大，建议采用600℃左右的回火温度和回火后水冷的工艺。

4.5.4 晶粒细化强化贡献

σb=1500 MPa的高强结构钢，应通过控轧控冷，细化转变前奥氏体晶粒尺寸，增加细晶强化贡献。

4.5.5 提高钢的纯洁度

钢的综合强化机理，从工艺上既要控制钢的轧后冷却过程，又要控制钢的冶金质量。提高钢的纯洁度是提高钢纳米析出贡献的基础。

5 结语

1)对薄板坯连铸连轧HSLC钢及钛微合金化高强耐候钢中的纳米粒子的属性进行了综合分析，发现尺寸＜36 nm的粒子主要为纳米Fe3C及纳米Ti(C，N)，钛微合金化高强耐候钢中粒径＜36 nm的Fe3C的体积分数为同尺度Ti(C，N)体积分数的4.4倍，其析出强化作用较大，不可忽略。纳米Fe3C及纳米Ti(C，N)共同对热轧钢板起显著的析出强化作用。

2)对钢的综合强化理论进行了讨论，指出HSLC钢中存在纳米铁碳析出物，存在析出强化机理，在钛微合金化高强耐候钢中，亦存在纳米铁碳析出物。应对不同种类及尺寸的纳米粒子，根据位错绕过机制和位错切割机制，同时考虑不同析出物的共同贡献。

3)钢的屈服强度等于不同的强化机理对钢屈服强度贡献之和，钢的综合强化机理是修正的加和法则。低碳钢在一定条件下，对不同种类、不同尺寸的纳米析出粒子，应分别根据位错切割和位错绕过机理计算出析出强化贡献，然后与固溶强化和细晶强化贡献加和。

对于低碳钢计算公式为:

其中，体积分数及粒径可用化学相分析 +X射线小角散射试验确定，对钢的析出强化贡献及钢的屈服强度进行了定量计算，计算结果与生产实际相符。

4)钢的综合强化机理已广泛地应用于工程。

5)对钢中纳米Fe3C和纳米微合金元素碳氮化物的析出强化作用和钢的综合强化机理有待进一步研究。特别是对析出强化与位错强化的交互作用，相变及相结构对钢强度的影响机理。微合金元素V、Nb、Ti、Mo等的作用机理，纳米析出物的类型，结构及析出动力学等方面还有待进一步研究。

致谢:衷心感谢中国科学院资深院士柯俊先生的指导、鼓励与支持;感谢柳得橹教授、康永林教授、王中丙先生对研究工作的帮助;研究生吴华杰、余健、王建锋分别参加了文章部分研究工作，一并致谢。

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Comprehensive strengthening mechanism of steel based on nano-scale cementite precipitates

Fu Jie1，2，Li Guangqiang2，Yu Yueguang3，Mao Xinping4，Fang Keming1，2

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China;3.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100044，China;4.Guangzhou Zhujiang Steel Co.，Ltd.，Xiji Industrial Zone，Economic and Technical Development Zone，Guangzhou 510730，China)

This paper summarized the status of comprehensive strengthening mechanism of steel.By using chemical phase analysis，X-ray small-angle scattering，RTO and high-resolution TEM observation，the properties of nano-scale cementite precipitates in Ti micro-alloyed high strength weathering steels produced by thin slab continuous casting and rolling process were analyzed.Except nano-scale TiC，cementites precipitates less than 36 nm and high volume fraction were also found in Ti micro-alloyed high strength weathering steels.The volume fraction of cementite less than 36 nm is 4.4 times as much as that of TiC in the same size.Cementite with high volume fraction has stronger precipitation strengthening effect than that of nano-scale TiC，which can not be ignored.The precipitation strengthening contributions of nano-scale precipitates of different types and sizes should be calculated respectively according to the mechanisms of dislocation intersection and dislocation bypass，and then be added up with the contributions of solid solution strengthening and grain refinement strengthening.A formula for calculate the yield strength of low carbon steel is proposed，and the calculated yield strength considering the precipitation strengthening contributions of nano-scale precipitates and the comprehensive strengthening mechanism of steels matches the experimental results well.The calculated σs=630 ～ 676 MPa，while the examined σs=630 ～ 680 MPa.The reason for grain refinement strengthening can notdirectly plus dislocation strengthening and the performance form ofphase transformation’s influence on steel strength were debated.The applications for comprehensive strengthening theory were summarized，and several scientific questions for further study were put forward.

yield strength; nano-scalecementite; nano-scale titanium carbide; precipitation strengthening;comprehensive strengthening of steel

TG142.1

A

1009－1742(2011)01－0031－12

2010－10－08

国家自然科学基金重点资助项目(50334010);新一代钢铁材料的重大基础研究(973)项目(G1998061500)

傅 杰(1937—)，男，湖南湘潭市人，北京科技大学教授，研究方向为冶金与材料;E－mail:fujie9@gmail.com