高性能海洋工程用钢的智慧研发之一

尚成嘉 ，李秀程 ，谢振家

（1.北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083；2.鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009）

随着人类对海洋研究和探索进程的不断加速，一场以海洋开发为标志的“蓝色革命”已经悄然兴起。钢铁材料因其显著的性价比优势，被广泛地应用于海洋相关的众多工程领域，用量远远超过其他金属材料。然而，世界范围内海域广阔，环境及气候条件多样，面对极其复杂的海洋环境，海洋工程装备需要在波浪、海潮、风暴及流冰等严峻的海洋环境中服役，承受复杂的载荷和严酷的腐蚀环境，因此要求海洋工程用钢具备高强度、高韧性、低韧脆转变温度、抗疲劳、耐腐蚀、抗裂纹扩展及良好的可焊性等众多特性。不仅如此，从经济角度考虑，当代海洋工程的设计理念对钢铁材料提出了更大的挑战，即减轻整体重量和延长使用寿命。一方面，通过提升强度和降低密度等方式来提高钢铁材料的比强度，实现结构减重，有利于降低装备制造和运行成本；另一方面，要求钢铁材料自身兼备耐腐蚀性能，减少维护费用，延长服役寿命周期，同时还要保证钢结构的安全性和可靠性。为了满足日益增长的海洋工程建设需求，需要不断推出适应海洋工程需求的新产品，保证新产品性能的稳定性；同时还需要对新材料开展全面的服役性能研究，积累服役性能数据，确保服役安全。面对品种规格多、性能要求高、开发周期短且成本有限的压力，钢铁企业必须变革当前的研发模式，建立更为高效的研发体系。

1 海洋用钢力学性能方面存在的问题

钢材的力学性能与成分、工艺、组织密切相关。通过添加和优化合金元素以及改进工艺，很多新型的高强度等级钢铁产品相继问世，但是随着强度级别的提升，性能波动越发明显，这不仅会提高钢结构力学设计的难度，还会在很大程度上形成安全隐患，如何控制工艺，降低强度波动已经成为海洋工程用钢产品的重要需求。

图1是文献[1]中统计的高强度钢强度波动情况，从图中可以看出，对于450 MPa级的钢铁材料而言，其屈服强度分布在420～530 MPa，存在多于100 MPa的波动，最高超过设计屈服应力近20%，平均屈服强度也达到500 MPa以上。虽然强度达到检验标准，但是强度的大幅度波动仍可能在某种程度上给钢结构带来一些安全隐患。

图1 屈服强度355、420和450 MPa级别钢屈服强度波动情况

由于用途特殊以及使用环境严苛，海洋工程用钢的技术要求相比其它钢种要严格得多，也需要更高的安全设计标准，以及在结构过载情况下尽可能降低事故造成的损失。结构过载时，钢铁材料会发生屈服及塑性形变，不同强度级别的钢材，在其发生屈服到断裂的过程中，所表现出的形变行为是不一样的。通常情况下，用屈服强度和抗拉强度之比，即屈强比，反映材料从发生屈服到断裂的过程。屈强比越低，材料在过载条件下的稳定性越好，钢结构的安全性也就越高。图2中列出了一系列海洋平台用钢的屈强比范围[2]，从图中可以看出，随着屈服强度的升高，屈强比通常也会不断升高。500 MPa级的钢材，屈强比一般在0.85左右，而690 MPa级的钢材，屈强比会升高到0.9以上，甚至达到0.95。

图2 海洋平台用钢不同强度级别屈强比分布情况

最初海洋平台用钢主要为345 MPa级别，因此对屈强比的要求一般按照中等强度钢材的要求进行设定，屈强比的设计为0.7[3]。随着海工钢强度的不断增加，对于高强度钢屈强比的设计一直是一个研究的重点。从1996年以来，为了起草新的海洋工程用钢ISO标准，许多学术团体对大于等于500 MPa的高强钢屈强比限制进行了深入的研究[4]，结论是“根据大量实验数据表明，屈强比的设计甚至要限制在0.8以下”。

2 海洋用钢服役安全方面存在的问题

抗疲劳设计是海洋工程结构的重要需求之一，特别是焊接接头等容易产生高应力集中的部位。对于Q345以下强度级别的钢，通过设计规范中已经有的S-N曲线，即可进行钢结构设计。但是对高强度级别钢材而言，由于氢致开裂敏感性高，所以，其在海洋环境中的疲劳性能难以确定。一般认为，钢材屈服强度增加会增加氢致裂纹敏感性，如果钢结构采用了阴极保护，那么阴极保护过程也会产生氢，从而导致裂纹尖端扩展速率增加，缩短部件疲劳寿命。因此，更加系统深入地认识高强钢的疲劳行为，进一步准确地预测其寿命是非常必要的。但是由于目前所掌握的数据还比较少，不足以指导设计。

腐蚀疲劳也是导致海工结构钢断裂的一个主要原因，综合考虑接头尺寸、海水环境和阴极保护过程，可以很好地预测钢结构的抗疲劳行为。目前，由于高强度钢的实验数据不足，疲劳设计规范只能涵盖屈服强度低于500 MPa级钢材，对于高于500 MPa级钢材，则要根据具体项目和具体材料确定其疲劳设计标准。ISO标准强调，700～800 MPa超高强度钢在海水中的疲劳强度只能按中等强度钢设计，因为超高强钢在海水中更容易产生氢致裂纹；此外，由于阴极保护导致出现析氢现象，也会促进裂纹萌生。因此，在阴极保护条件下，超高强钢的疲劳性能还需要进行深入研究。

对于屈服强度在550 MPa以上的超高强度海洋工程用钢，对其氢致裂纹的控制也是一项重要挑战。由于阴极保护会促进氢致裂纹产生，因此，相关标准规定了较为严格的阴极保护电位。对于存在氢致裂纹风险的钢材要求做慢拉伸实验进行评价，屈服强度大于650 MPa的钢还要评价母材和焊缝的氢致裂纹倾向性。为了减重，海洋平台对高强度钢的需求越来越强烈，550～690 MPa高强度钢广泛应用在自升式海洋平台，虽然氢脆并不常见，但是由于固定桩腿平台不能定期回船坞检修，因此氢脆的潜在危险更大。一般认为，高强钢的氢脆敏感性会随着强度的增加而增加，但是，即使强度级别相同，其氢脆敏感性也会因合金成分、工艺、热处理制度等不同而有所差异。目前除了强度级别外，还不能较为明确地由钢材的成分、组织等判定其氢脆敏感性大小，因此，有关高强度级别氢脆问题还有待进行更为系统深入的研究。当然，随着对氢脆认识的深入以及当代钢铁工业中冶金质量的不断提升，高强度钢材的应用领域也必然会得到不断的拓展。

3 高性能海洋用钢材料科学与工程基础

人类对钢铁材料的认识与应用由来已久，工业革命使钢铁材料成为了真正的工业产品。 随着20世纪初现代物理学的发展，在原子层次认识钢铁材料的显微结构逐步具备条件,并开展了广泛的理论与实验研究。钢铁材料已经建立了以晶体学为基础的固溶体、合金相、晶体缺陷、扩散与相变、塑性形变行为、强化、断裂等一系列理论和模型。在钢铁材料研究中所发现的热力学与动力学规律，逐渐与原子甚至电子层次的理论相匹配，特别是钢铁材料经过100多年的发展与应用，其合金体系、组织结构类型、影响性质与性能的基本因素已经逐步明晰。钢铁材料种类繁多，应用领域宽广，相关理论的丰富程度已经使钢铁材料具备了根据性能需求和服役特性进行有目的智慧化设计、生产及服务的阶段。

1978年Pickering撰写了名为 《物理冶金学——钢的材料设计》专著[5]，通过对各类钢铁材料成分-组织-性能之间物理冶金现象和规律进行总结与提炼[6-9]，阐明了钢铁材料已经可以根据物理冶金原理进行设计，即按照材料的基因认识钢铁、设计钢铁、生产钢铁以及应用钢铁。

1997年Olsen提出利用计算机手段设计钢铁材料的创新概念[10]，建立在现代物理学和工程学基础之上的多尺度材料设计模型在钢铁材料中得到了长足的发展；以热力学为基础积累了大量的相结构数据，并发展形成相应的热力学软件，可以用于设计、预测各类平衡态的相结构；结合动力学理论和相关数据，钢铁材料中的各类动态过程也可以模型化描述并指导工艺过程的设计[11]；建立在第一性原理基础上的理论计算可用于纳米析出相的界面结构表征及描述纳米尺度析出相的形成与演变过程；介观尺度的分子动力学和相场理论对于描述缺陷、液-固相变、固-固相变等起到了模型化的作用；基于弹塑性理论的有限元分析则可以建立微观力学模型和宏观力学模型，阐述组织与性能之间的关系。

2006年，美国学者提出利用信息学理论、方法和技术将材料中的众多因素进行有效关联的 “材料信息学”概念[12]。所谓材料信息学是将信息学的理论应用于材料科学与工程领域，使我们能够更高效、更准确地认识材料、选择材料、研发材料和发现新材料，即利用信息学理论和方法建立成分-工艺-组织-性能（性质）多变量之间的联系，这种联系的建立与传统意义上用函数建立唯象理论关系的方法类似，但是在利用材料信息学所建立的联系中，包含的变量因素不仅广泛，而且量化方法也更加科学，所以在计算结果的精准度上有着质的提升。

由此可见，钢铁材料基因工程（即物理冶金、化学冶金和力学冶金相关理论）的建立为钢铁材料的合金设计、组织设计、工艺设计以及服役行为预测提供了基本条件；借助现代化的实验表征手段和不断完善的材料数据库，完全可以实现钢铁材料的智慧化研发与制造。

纵览钢铁材料的发展历程，100年前是在材料工程范畴内进行成分、工艺与性能的研究；20世纪40年代开始发展的物理冶金更关注材料成分工艺对组织的影响，进而形成了材料科学，并于20世纪50、60年代确立成为材料科学与工程学科体系；当今的钢铁材料已经发展到了利用钢铁材料的基因设计材料的时代，而未来钢铁材料的发展必将进入智慧设计、智慧生产与智慧服务的新时代。关键钢铁材料的研发与制造将更紧密地结合重大装备、重大工程、特殊环境、特殊工艺、严酷竞争的客观条件，开展材料正向设计，实行材料生产逆向追溯，并建立材料全寿命周期的环境、资源、能源、经济型、高性能的评价。

4 海洋用钢智慧化研发框架

智慧化研发是指利用现代材料科学既有的知识和原理，材料科学已经发展较完善的理论和模型，以及利用材料信息学对实验和工业数据的挖掘三方面智慧结晶，实现对材料合金成分、工艺的系统设计，同时对服役性能进行科学有效的预判。智慧研发的优势在于对所开发产品设计过程更精细、更精准，所开发产品的性能更加稳定和可靠。海工钢智慧制造工艺流程-不同尺度显微组织-力学性能关系神经网络如图3所示。

图3 海工钢智慧制造工艺流程-不同尺度显微组织-力学性能关系神经网络

由图3可见，海工钢的智慧制造要以知识和原理、理论和模型、大数据为基础，针对钢铁材料的合金成分和冶金工艺流程、材料热成型、热处理等精准的技术参数进行设计、模拟及预测，从偏析、晶粒度、相比例、晶体取向（变体选择）和多尺度析出等显微组织角度，控制强度、韧性、塑性、屈强比和韧性（DBTT、DWTT、NDT、Kca）等指标。

合金成分的设计应着重从物理冶金原理出发[5，13,14]。 为了实现高韧性和易焊接的目的，低碳设计是目前低合金高强度钢的最基本理念，随着C含量降低到0.1%以下，高强度钢的韧性可大幅度提高，同时可保证最佳的焊接性能。从固溶强化角度出发，低碳合金体系高强钢强度的提升，最首选的低成本合金元素是Mn，1.0%～2.0%Mn含量已经是较常规成分范围；其他最常用的置换固溶强化元素有Cr、Mo、Ni等，Cr与Mn有类似的强化作用，并且也比较廉价，Mo、Ni等合金元素有良好的综合作用，但是合金化成本较高；还可以利用B元素增加淬透性，B-Mo-Cr的协同作用能够有效提高厚钢板的淬透性；此外，为了在低碳合金体系中实现强化，Nb、V、Ti等元素的碳氮化物析出以及Cu析出成为常用的析出强化手段。上述合金成分设计在工业产品中的应用很大程度上还停留在经验的层面。不过，基于热力学的定量化表述已经可以为合金设计提供一定的理论基础，而以热力学数据为基础的“遗传算法”也已经开始应用于合金设计的优化。

工艺的设计与实施主要包括炼钢、连铸、轧钢、热处理等方面。炼钢过程对微量元素的精准控制在现代炼钢流程中已经运用的相当成熟，对夹杂物的控制也具备相当完备的理论与技术基础，但是关于夹杂物与海洋用钢服役性能的针对性、定量化描述还不十分清晰，主要表现在耐腐蚀性和疲劳性能两个方面，在夹杂物与初期腐蚀及长期腐蚀的关系方面，虽然发现了一些规律，还没有形成完整的理论体系；夹杂物尺寸和分布与疲劳的关系几乎可以用模型来描述，但是关于海洋环境的数据还十分匮乏。可见，炼钢的质量与高服役安全之间的关系还缺乏科学基础，在该方面开展大数据积累并进行数据挖掘是实现未来智慧研发的可行方向。连铸质量对力学性能及服役安全性的影响虽然还停留在经验的基础上，但是在海洋用钢的技术要求方面已经普遍受到关注，并建立了较严格的企业和用户评价标准，如曼内斯曼标准和RAPP标准。不过这些评价标准的依据还停留在经验基础之上，既没有理论也没有模型，一般企业更没有大数据的积累，只有碎片式的认知。因此，建立海洋用钢的偏析程度对性能和服役安全影响的大数据，可以为基于材料信息学的大数据分析奠定数据基础。轧钢和热处理包括再结晶和相变等多个过程，该方面的物理冶金理论已经相当成熟[15]，再结晶和相变理论模型也较完善，可以基于热力学、动力学建立各种解析式或其他各种模型，析出相也可用多尺度模型加以表述。轧钢过程的温度场与应变场的耦合及其对相变的作用以及利用模型加以描述也一直是研究的热点。

钢铁材料成分与工艺决定组织，组织决定性能，这是材料科学认知的基础，由图3可以看出，对于不同的产品，合金设计与工艺路线会影响夹杂物、偏析、晶粒度、相结构、析出类型等，按照已经建立的钢铁材料科学与工程理论，已经发展了Hall-Petch 关系，以及 Cottroll-Petch 关系[16-19]等唯象的晶粒尺寸与强度和韧脆转变温度的解析方程。然而，这些表述基本上是在一定的简化条件下的单变量或少变量的关系，但事实上影响性能和性质的因素众多并且彼此相互作用，显然这种简化处理的方式已经不能满足当今钢铁材料研究的需求，如何建立基于成分、工艺、组织、性能的多变量相关性是未来智慧研发的重要挑战。

为了建立多变量之间的关联，一方面要有足够的数据，另一方面还要建立强关联的数据结构以保证数据利用的真实性和高效性。毋庸置疑，显微组织结构作为成分/工艺与性能关联的重要桥梁，其关键作用不可忽视。因此，应着重建立显微组织定量化、数字化的描述方法，实现成分、工艺、组织、性能全链条数字化，找到组织与性能的强关联基因，以及工艺与组织的理论模型，形成基于知识、模型、大数据分析的智慧研发体系。

智慧研发体系的最高目标是建立海洋用钢的基因与知识库，包括成分设计、工艺设计、性质与服役性能相关的热力学数据库，数字化知识库，演变过程解析模型，挖掘数据形成知识的工具，以及基于数字化知识的智慧引擎。海洋用钢基因知识库的建设及完善将会极大地推动智慧研发进程，加速新产品的研发速度，缩小研发周期，降低研发成本。

5 结语

海洋用钢对材料的高强度化、高性能稳定性、高服役安全性有更高的需求，然而目前材料的性能波动，服役安全数据匮乏严重制约了海洋用钢向高强度化的发展。智慧化研发是信息时代材料科学发展的新方向，其中最突出的是基于材料信息学的数据分析方法及多变量成分、工艺、组织、性能关系。智慧研发并不只局限于数据分析，材料科学与工程所建立的理论和形成的知识是智慧研发的重要组成部分，基于材料多尺度计算、高通量表征以及高通量实验的材料基因与知识库建设是未来智慧研发的基础，智慧研发体系的建立将极大提高新产品的研发速度、降低研发周期，满足海洋用材的新需求。

[1] Billingham J.Steel-a versatile advanced material in marine environments [J].Ironmaking&Steelmaking，1994,21（6）:452-458.

[2] BillinghamJ，SharpJV，SpurrierJ,etal.Reviewoftheperformance ofhighstrengthsteelsusedoffshore [R].Health&SafetyExecutive，2003.

[3] Billingham J，Healy J，Spurrier J.Current.Potential Use of High Strength Steels in offshore Structures [R].Marine Technology Directorate，1996.

[4] Billingham J，Heady J，Bolt H.High Strength Steel the significance of yield ratio and work hardening for structural performance，Marine Research Review 9 [R].Marine Technology Directorate，1997.

[5] Pickering F B.Physical Metallurgy and the Design of Steels [M].Applied Science Publishers,1978.

[6] Zener C.Theory of Growth of Spherical Precipitates from Solid Solution [J].Journal of Applied Physics,1949,20（10）:950-953.

[7] Hillert M.On the theory of normal and abnormal grain growth[J].Acta Metallurgica,1965,13（3）:227-238.

[8] Irvine K,Pickering F,Gladman T.Grain-refined C-Mn Steels[J].Journal of Iron and Steel Institute of Japan,1967,205:161-182.

[9] Gladman T.On the theory of the effect of precipitate particles on grain growth in metals [C]//Proceedings of the Royal Society A.London:The Royal Society，1966:298-309.

[10]Olson G B.Computational Design of Hierarchically Structured Materials [J].Science，1997，277（5330）:1237-1242.

[11]Olson G B.Advances in theory:Martensite by design [J].Materials Science&Engineering A， 2006，438（1）:48-54.

[12]Rajan K，Mendez P F.Materials Informatics [J].Materials Today，2012，15（11）:470.

[13]贺信莱,尚成嘉，杨善武，等.高性能低碳贝氏体钢,成分、工艺、组织、性能与应用[M].冶金工业出版社,2008.

[14]翁宇庆.超细晶钢:钢的组织细化理论与控制技术[M].冶金工业出版社，2003.

[15]Miao C L，Shang C J，Zhang G D，et al.Recrystallization and strain accumulation behaviors of high Nb-bearing line pipe steel in plate and strip rolling [J].Materials Science&Engineering A，2010，527（18-19）:4985-4992.

[16]Hall E O.The Deformation and Ageing of Mild Steel:II CharacteristicsoftheLüdersDeformation [J].ProceedingsofthePhysical Society,1951,64（9）:742-746.

[17]Petch N J.The ductile-brittle transition in the fracture of α-iron:I [J].Philosophical Magazine，1958，3（34）:1089-1097.

[18]Heslop J，Petch N J.The ductile-brittle transition in the fracture of α-iron:II [J].Philosophical Magazine，1958，3（34）:1128-1136.

[19]Cottrell A H.The Mechanical Properties of Matter [J].American Journal of Physics,1964,36（1）:68.

(编辑 田玉婷)

鞍钢高合金焊丝钢走出国门

“鞍钢的产品质量太好了，感谢你们提供的产品。”近日，一外方客户收到鞍钢供货的高合金焊丝钢后，大加赞赏。

此次鞍钢供应的高合金焊丝钢主要用作建筑用钢的焊接材料。使用该种材料焊接，不仅可以提升焊接效率，还可以有效减小焊接过程中的飞溅率，因具有这样的特点，该材料备受客户青睐。

高合金焊丝钢在生产过程中对钢种成分要求非常高，具有合金含量高、成分范围窄、残余元素要求极为严格的特点，试制难度大。为此，鞍钢集团钢铁研究院冶金工艺所携手鞍钢股份产品发展部、炼钢总厂、线材厂，持续优化转炉、精炼工艺及连铸工艺参数。为确保该钢种试制成功，课题组加班加点现场跟踪，并与现场技术人员沟通交流，及时检测分析。在反复试验论证之后，提出了一系列有效办法，解决了一个又一个难题，保证了该钢种的顺利生产。

目前，鞍钢已成功出口高合金焊丝钢2000多吨，产品质量稳定。