2023年, 第35卷, 第10期　刊出日期：2023-10-20

  

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综合论述
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  高熵合金抗辐照性能研究现状与展望

  陈国幸, 胡丞杨, 余丽玲, 杨立夫, 王巍麟, 吴开明

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1185-1195. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220394

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  高熵合金结构简单但主元相对复杂,由于其具有迟滞扩散效应,可以阻碍由于原子运动引起的晶格畸变,并且存在的较高原子级别应力,使其具有自修复机制,因此高熵合金具有优异的抗辐照性能。辐照作用在材料内部产生的缺陷或缺陷团簇,在反应堆服役过程中还会发生迁移和聚集,形成大型缺陷并影响材料的微观结构和力学性能。为了更好地解释辐照缺陷的运动,通常还需要采用理论模拟的方法。从结构的角度将抗辐照高熵合金分为体心立方、面心立方和混合结构3类,分析探讨了辐照对材料结构和性能的影响,介绍了部分常用的理论模拟方法,最后针对高熵合金抗辐照性能研究发展的趋势以及对未来研究工作重点进行了总结与展望。
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  生命周期评价在钢材及汽车用钢中的研究现状与发展趋势

  褚关润, 方刚, 路洪洲, 周佳, 岳海荣, 林欣悦

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1196-1206. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220306

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  在“双碳”目标下,汽车行业面临巨大的减排压力,倒逼钢铁企业开展以生命周期评价(life cycle assessment,LCA)为工具的钢材维度减碳研究。综述了LCA在国内外钢铁企业以及汽车用钢方面的应用进展,分析了生命周期思想下汽车用钢的发展趋势,指出了钢材碳足迹已经成为汽车用户科学选材的重要维度。同时,从开展LCA研究的方法论、清单数据、软件平台和应用推广等4个方面,分析了面临的挑战并给出了相应的建议,以期促进中国汽车、钢铁和检验认证企业等产业链的低碳协同发展。
冶炼与加工
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  高炉炉料结构对软熔过程煤气成分的影响

  韩凤光, 张建良, 刘征建

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1207-1213. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230010

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  为研究高炉炉料结构变化对炉内煤气成分的影响,以梅钢高碱度烧结矿搭配块矿为主的炉料结构为基础,通过调整烧结矿碱度、烧结矿比例和块矿比例,研究与分析了不同炉料结构下高炉煤气的成分变化、还原-软熔性能以及煤气利用率结果。研究表明,高炉煤气中CO和CO₂的峰值分别出现在下部直接还原区和块矿带间接还原区。在块状带区域,随着烧结矿碱度提高、比例降低和块矿比例的提高,煤气利用率呈现下降的趋势。而在软熔开始之后,高碱度烧结矿搭配高比例块矿的实验组煤气利用率出现显著上升。高比例烧结矿(碱度1.8)对于煤气利用率提升最为有效,但高碱度烧结矿(碱度2.2~2.3)也能够通过交互作用在一定程度上弥补提高块矿比例后煤气利用率的降低。
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  焦炉煤气重整成分变化规律热力学计算

  于樾, 王锋, 齐渊洪, 王宏斌, 杨永强, 韩涛

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1214-1227. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230013

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  为明确焦炉煤气重整工艺中温度及组分对焦炉煤气重整平衡组分的影响规律,对CH₄-H₂-CO-CO₂-H₂O-O₂竖炉焦炉煤气体系自重整过程中温度、压力、O₂、CO₂和H₂O的变化规律进行了热力学平衡模拟研究。结果表明:高温以及较低的体系压力对焦炉煤气自重整有利,但CH₄转化率较低。在给定焦炉煤气成分及条件下,焦炉煤气重整过程中加入O₂会使CH₄转化变得容易,计算得到的O₂最佳加入量为5.69%(摩尔分数),此时CH₄转化率已经达到99.48%,还原气平衡组分中H₂的摩尔分数可由68.39%提升至75.99%,CO摩尔分数由4.36%提升至18.12%,H₂与CO体积比降至4.19;CO₂加入量是调节焦炉煤气平衡组分中H₂与CO体积比的重要手段,当CO₂加入量为7.84%(摩尔分数)时,焦炉煤气基本转化完全,平衡组分H₂与CO体积比由7.07降低至3.04,当CO₂加入量大于17.75%(摩尔分数)后,H₂与CO体积比降低到了2.0以下。水蒸气是增加焦炉煤气重整平衡组分中H₂含量的主要途径,当水蒸气加入量为6.44%(摩尔分数)时,此时平衡组分中的CH₄转化率达到98.56%,H₂含量增加约1.29倍,H₂与CO体积比达到谷值4.57。
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  连铸M2高速钢碳化物和宏观偏析热模拟

  李志聪, 陈杨珉, 陈湘茹, 仲红刚, 李莉娟, 翟启杰

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1228-1240. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230027

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  M2高速钢碳化物粗大且分布不均匀制约了该钢种采用连铸-连轧工艺生产。采用基于特征单元热相似性的连铸坯枝晶生长热模拟试验机研究了连铸M2高速钢凝固过程及组织形成规律,并且使用光学显微镜和金属原位分析仪分析了过热度和二冷区比水量对其碳化物分布和尺寸及宏观偏析的影响。实验结果表明,铸坯碳化物分布和尺寸及宏观偏析受到过热度与二冷区比水量的显著影响。过热度每减小10 ℃,凝固末端的碳化物面积占比减小约1.5%,碳化物网交汇处平均尺寸减小约7.5 μm。随着二冷区比水量由0.36 L/kg增加至0.54 L/kg,凝固末端的碳化物面积占比减小约2.8%,碳化物网交汇处平均尺寸减小约23.8 μm。降低过热度和提高二冷区比水量有利于C、W、Cr、V元素均匀分布和降低中心偏析。
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  基于IWOA-BP算法的超声冲击重轨残余应力预测

  薛欢, 柳胜男, 朱敏, 张文谦, 张洛源, 李洁

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1241-1249. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220407

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  重轨在轧制、矫直等工艺过程中都会产生残余应力,这对重轨的力学性能有很大的影响。超声冲击处理是改善重轨表面残余应力的有效方法。采用3种不同的冲击头和5种工艺参数对重轨表面进行超声冲击处理,并建立有限元仿真模型模拟冲击过程。以实验与仿真数据为基础,建立IWOA-BP算法预测模型,与单层BP、深层BP和传统WOA-BP模型相比,IWOA-BP算法预测表面残余应力和次表层最大残余压应力的精度更高,其平均绝对误差MAE分别为0.008和0.012,决定系数R²分别为0.999 88和0.997 22,表明该模型能够有效地预测重轨超声冲击处理后的残余应力。
材料研究
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  热带退火温度对含Sn铁素体不锈钢组织性能的影响

  白杨, 刘沿东, 贺彤, 刘方策, 邵方园

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1250-1259. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220383

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  以Cr-Ni资源节约型Sn微合金化铁素体不锈钢为实验材料,利用电子背散射衍射技术、室温拉伸实验、电化学腐蚀实验等手段,分析了不同热带退火温度下实验钢的组织演变和性能变化趋势。结果表明:热带退火温度在900~1 050 ℃范围内,适当升高热带退火温度,可以使冷轧退火板得到均匀的再结晶组织和强度较高的γ纤维再结晶织构,有利于提高力学性能和耐点蚀性能。热带退火温度为950 ℃时,实验钢获得了最佳的力学及耐点蚀性能。此工艺条件下,抗拉强度为532 MPa,屈服强度为345 MPa,伸长率为42%,点蚀电位达到0.28 V。通过优化热带退火工艺,含Sn铁素体不锈钢的性能较430铁素体不锈钢显著提高,有望在某些领域成为SUS304奥氏体不锈钢的有力替代。
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  焊接工艺对Q345厚板电子束封装淬硬裂纹的影响

  张潜, 骆宗安, 成小龙, 周兰聚, 周宏宇, 刘照松

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1260-1270. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220388

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  针对Q345特厚板在电子束焊接封装时易产生淬硬裂纹的问题展开分析,探究了焊接工艺对焊缝成形的影响,提出了消除裂纹的有效措施,并测试了不同焊接工艺下焊接接头的力学性能。结果表明:当热输入从7.2 kJ/cm升到9.6 kJ/cm时,裂纹尺寸和数量明显减少,而热输入增加至11.52 kJ/cm时,焊缝表面成形恶化,并在根部产生钉尖缺陷。对于热输入为9.6 kJ/cm的焊接接头,通过焊前预热100 ℃及焊后缓冷措施,能够完全消除淬硬裂纹。对7.2、9.6 kJ/cm,9.6 kJ/cm预热+空冷和9.6 kJ/cm预热+缓冷的4种接头进行显微硬度测试,焊缝平均硬度分别为431HV、418HV、369HV和339HV。拉伸试验表明,4种拉伸试样断裂位置皆位于母材,达到了封装质量标准,强度分别为547、543、524和500 MPa。
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  淬火温度对高速钢组织、力学性能和耐磨性的影响

  陈鹏, 李卫, 易艳良

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1271-1281. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220372

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  系统研究了不同淬火温度对高速钢组织、力学性能和耐磨性的影响。研究结果表明,热处理后高速钢由马氏体基体和碳化物(MC、M₂C、M₆C、M₂₃C₆,M=Fe、V、Mo、W等)组成。淬火温度对碳化物形态结构变化有明显影响,随着淬火温度从1 080 ℃增至1 280 ℃,碳化物由网状结构变为孤立团球状,其形状因子K值从0.394提高至0.470。此外,高速钢的力学性能随淬火温度升高得以明显提升,1 200 ℃淬火试样具有最佳综合性能,其硬度为63.0HRC,冲击功为7.5 J/cm²。模拟抛丸机叶片服役工况,进行磨料磨损试验,磨损机制主要以微切削为主,微疲劳为辅。相比1 200 ℃淬火试样,1 080 ℃淬火试样的体积磨损量增加6.7倍。研究淬火温度对高速钢的影响,可为其他金属耐磨材料开发在热处理工艺技术方面提供了一种新的参考。
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  深冷处理对高氮M42高速钢组织与性能的影响

  马继一, 李花兵, 王海建, 焦卫超, 万昕迪, 刘书棋

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1282-1290. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220362

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  以无氮和高氮M42高速钢为对象,研究了深冷处理对显微组织、硬度、红硬性和压缩性能的影响规律。结果表明:无氮和高氮M42高速钢的淬火组织主要由马氏体、残余奥氏体以及未溶的M₂C和M₆C碳化物组成,氮的添加将增加残余奥氏体含量;深冷处理能促进残余奥氏体向马氏体转变,且随着深冷温度降低和深冷时间延长,残余奥氏体转变更加充分;深冷处理并回火后残余奥氏体基本转变。深冷处理可以显著提高实验钢的回火硬度和红硬性,且随深冷温度的降低和时间的延长逐渐增加,但对其室温压缩性能影响不大。优选的深冷工艺为-130或-196 ℃深冷4 h,能提高钢的回火硬度约0.9HRC~1.2HRC、红硬性约1.3HRC~1.8HRC。氮合金化能显著提高钢的硬度、红硬性和抗压强度,但略微降低压缩断裂应变。
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  冷处理对高碳铬马氏体钢9Cr18Mo组织转变及析出行为的影响

  骈利平, 周健, 李才巨, 马党参, 林鹏, 迟宏宵

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1291-1299. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220377

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  采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱仪(SEM-EDS)等分析技术,研究了冷处理过程显微组织的转变和冷处理对回火过程碳化物析出行为的影响。结果表明:9Cr18Mo钢经冷处理后残余奥氏体含量降低,硬度升高;冷处理过程马氏体板条细化、大角度晶界比例和位错密度增加;碳原子在冷处理过程偏聚形成富碳区域或形成细小碳化物析出;在回火过程中,碳原子与合金原子形成大量合金碳化物析出;经过冷处理后,碳化物在回火过程中开始析出温度降低,引起了二次硬化峰偏移。
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  时效处理对冷变形A286不锈钢组织与性能的影响

  梁琦, 孙永庆, 田帅, 刘振宝, 梁剑雄, 陈亮维

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1300-1308. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220397

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  采用OM显微镜、扫描电镜、万能试验机等研究了冷变形A286不锈钢经650~900 ℃/4~48 h时效处理后的微观组织和室温拉伸性能。结果表明:A286不锈钢时效后的主要析出物为碳化物、γ′相和η相。主要强化相γ′相在650 ℃时效后析出,随温度的升高粗化速率明显增大,粗化机制基本遵循Lifshitz-Slyozof-Wagner(LSW)理论,但在800 ℃长期时效后偏离LSW理论。η相在700 ℃长时间时效后析出,800 ℃时效后大量析出,随着时效时间的延长,η相析出方式由晶界胞状析出向晶内针状析出转变。时效后A286不锈钢的室温拉伸实验表明,随着时效温度的升高强度呈现下降趋势,这是γ′相尺寸过大和η相的析出共同导致的。
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  GH4169合金冷轧板材的成形工艺性能

  田伟, 信昕, 刘砚飞, 钟燕

  钢铁研究学报. 2023, 35(10): 1309-1318. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220390

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  对厚度为1.0 mm的固溶态GH4169合金冷轧板材进行了室温拉深、杯突等成形工艺性能实验,并对测试后试样不同位置的组织和显微硬度进行了研究。结果表明,GH4169合金冷轧板材经固溶处理后,组织均匀,晶粒为等轴晶,平均晶粒度直径为7.8 μm。板材的极限拉深比LDR为2.15,杯突值IE为12.87 mm。拉深试样局部变形较大,最大塑性变形量达到48%时发生开裂。杯突试样的塑性变形相对均匀,最大塑性变形量达到62%时发生开裂。成形工艺实验过程中试样发生塑性变形并产生加工硬化,获得了硬度与塑性变形量间的幂函数关系式。试样开裂位置的晶粒被拉长,晶粒内部取向梯度增大,形成大量滑移线,大块碳化物发生破碎和脱落,裂纹易于在碳化物周围及位错塞积严重位置萌生及扩展,最终连通而发生开裂。