2025年, 第37卷, 第1期　刊出日期：2025-01-20

  

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综合论述
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  高熵合金抗氢脆性能的研究进展

  赵远, 胡丞杨, 李佳霖, 董航宇, 李航, 吴开明

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 1-13. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240238

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  高熵合金由于其复杂的化学成分、无序的原子结构、严重的晶格畸变效应等因素影响,使其具有与其他金属材料不同的氢溶解度、氢扩散特性和氢捕获能力,从而表现出优异的抗氢脆性能。为推动高熵合金在抗氢脆领域的发展,通过对现有研究进行梳理,归纳总结了微观组织结构、合金元素、氢的来源和制备工艺对高熵合金氢脆敏感性的影响及其作用机制,发现上述影响因素对高熵合金抗氢脆性能的影响效果存在一个特定的阈值,而具体的阈值需要进一步的实验研究和理论分析。最后介绍了一些抗氢脆高熵合金的设计方法,如晶界工程、引入梯度纳米孪晶结构、引入纳米碳化物/氮化物、通过计算机辅助进行开发设计,并对未来抗氢脆高熵合金研究的工作重点进行了展望。
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  镍基高温合金返回料净化利用技术研究进展

  程娜, 周同金, 刘子男, 王娜娜

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 14-23. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240151

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  随着航空航天技术发展,镍基高温合金返回料积累量日益攀升。为了有效应对我国贵重金属资源的浪费问题并推动循环经济的发展,通过使用先进的净化利用技术,确保返回料的成分和性能达到与新料合金相当的水平,显得尤为关键。但是镍基高温合金种类繁多、成分复杂,返回料杂质和缺陷含量高,加大了净化利用技术难度。概述了镍基高温合金返回料添加比例和返回次数对高温合金成分、组织结构和力学性能的影响,重点讨论了国内外返回料预处理技术和纯净熔炼技术发展现状,总结了返回料纯净度检测方法,并对我国镍基高温合金返回料的循环利用提出了一些建议。
冶炼与加工
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  基于AdaBoost-HKSVR算法的烧结固体燃耗预测模型

  许戈钦, 黄晓贤, 范晓慧, 向家发, 周茂军, 陈许玲

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 24-32. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240124

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  烧结是钢铁生产中能耗第二高的工序,其中固体燃耗占烧结工序能耗70%以上,对固体燃耗进行提前预测可以为现场操作人员提供生产参数调控依据,对烧结工序的节能减排具有重要意义。针对目前固体燃耗预测模型泛化能力不佳、预测精度受限的问题,提出了一种基于混合核支持向量机(HKSVR)与AdaBoost集成学习算法的烧结固体燃耗预测模型,并采用贝叶斯算法优化模型参数。使用现场生产数据对模型进行训练和测试,结果表明基于多项式核函数与拉普拉斯核函数构建的AdaBoost-HKSVR模型具有较好的预测性能,预测结果的MAE、RMSE、决定系数R²为0.14、0.19、0.99,可为烧结工序智能控制与工艺参数优化调控提供有力支持。
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  超大断面异形坯结晶器熔池均匀化流动控制研究

  李巧巧, 蔡兆镇, 王诗博, 娄文涛, 朱苗勇

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 33-46. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240112

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  以1 904 mm×616 mm×193 mm超大断面异形坯连铸结晶器熔池流动为研究对象,采用数值与物理模拟相结合方法,对比研究了0.5 m/min拉速、130 mm浸入深度下3矩形侧孔水口(SEN-1)、1矩形2正方形侧孔水口(SEN-2)、1矩形2扇形侧孔水口(SEN-3)对熔池钢液流动、传热以及凝固的影响。结果表明:3矩形侧孔水口下,由朝向翼缘方向侧孔流出的钢液在弯月面下0.15~0.5 m高度区域的翼缘外角及其附近高速流动,最大流速达0.21 m/s,从而对该区域坯壳凝固前沿形成明显冲刷,致使凝固坯壳产生明显高温区和重熔现象,靠近外角侧窄面与端部的凝固坯壳表面最高温度分别达1 524.0和1 465.4 K,厚度分别减少3.5和2.1 mm;相比3矩形侧孔水口,1矩形2正方形侧孔水口下流向腹板中心方向的钢液射流扩张角减小,上回流区的流速降低,自由液面的活跃性减弱。而在朝向翼缘方向正方形侧孔的作用下,钢液射流对翼缘外角及其附近区域凝固坯壳的冲刷加剧,凝固前沿钢液最大流速达0.25 m/s,使得弯月面下0.1~0.5 m高度的翼缘外角区坯壳生长缓慢,形成明显的坯壳生长停滞区。同时,高速流动钢液造成的上回流亦加剧了整个翼缘区的液面扰动。在1矩形2扇形侧孔水口下,腹板整体流场均匀,翼缘区凝固坯壳前沿的钢液速度降至0.14 m/s,大幅降低了高温钢液对凝固坯壳的冲刷作用,靠近翼缘外角的窄面和翼缘端部的凝固坯壳厚度分别达24.7、20.9 mm,这给超大断面异形坯连铸结晶器熔池流场均匀化流动控制提供了理论参考。
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  转炉冶炼过程耦合反应界面模型的研究与应用

  蔡伟, 张彦恒, 吴巍, 杨利彬, 林路, 邱伟

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 47-58. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240119

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  基于转炉熔池多反应区域理论详细分析了冶金反应热力学、动力学和耦合反应机制,探索了熔池耦合反应界面模型的应用实践。研究表明:平衡状态归一化分析即反应3区a_CO(反应界面CO的活度)分别取100、10和1,a_[O](反应界面钢液组元[O]的活度)分别取20~60、1~3和0.05~0.2时,多反应区域碳含量计算极限基本匹配冶炼终点实际钢液的极限,且其他组元的反应界面平衡状态均能匹配熔池冶炼规律变化。多组元反应产物方面,反应界面层内碳氧反应94%以上生成CO,铁氧反应99%以上生成FeO。反应速率变化方面,冶炼过程,钢液[Mn]和[P]平衡态极限值的变化为钢液“回锰”和“回磷”提供热力学条件;冶炼终点,钢液[C]的氧效率迅速降低至20%~30%左右,同时[Fe]的氧效率迅速升高至70%~80%;耦合反应界面模型的预测值和设备在线监测结果均符合经典脱碳三段式理论。
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  钢水加废钢模式下Q235钢精炼渣系优化

  朱俊涛, 孙振, 成日金, 朱万军, 方朝权, 张华

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 59-68. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240100

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  针对国内某企业多元加废钢冶炼模式下,钢液的“脱硫与回硫”现象,对精炼渣系成分进行合理优化。首先,利用热力学软件FactSage 8.1,在1 600 ℃温度条件下,对CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO渣系与Q235钢液平衡时的等氧线进行模拟计算;同时利用精炼渣的光学碱度计算出该渣系的硫容量和硫分配比,用来评估精炼渣的脱硫性能。其次,在实验室中设计出5组精炼渣,进行高温钢渣平衡试验,对试验后精炼渣进行XRF成分检测,对钢样采取电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、氧氮分析仪及碳硫分析仪进行元素检测,利用场发射扫描电子显微镜分析了钢样中夹杂物的形貌和成分,并对其数量及尺寸进行统计分析。最后进行工业试验加以验证。结果表明,通过优化渣系组成,其中CaO、SiO₂、Al₂O₃和MgO质量分数分别控制在47.7%~55.2%,0~20.5%,26.85%~55%和4%~7%范围内,能将钢液中溶解氧控制在0.001%(质量分数)以内。选取成分为54.27%CaO-7.43%SiO₂-33.3%Al₂O₃-5%MgO的渣系,脱硫率可达54.73%,钢中TO亦可降至0.002 1%(质量分数),试验结果验证了热力学计算的准确性。
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  基于液位波动特征对汽车板表面卷渣缺陷分析

  罗衍昭, 刘柏松, 唐德池, 王策, 何文远, 季晨曦

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 69-76. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240122

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  针对国内外高端汽车板用户对汽车板表面质量“零缺陷”的要求,通过对冷轧板缺陷处取样电镜分析主要成分为Al、Ca、Mg、Na和Si,与典型的保护渣成分一致,即浇铸过程中保护渣的卷入是冷轧板表面卷渣缺陷的主要原因,针对高等级汽车板建立了液面波动指数新的表征方法,既与液面波动幅度有关,也与液位波动上下波动速度存在对应关系,采用更高的液位波动10次/s采集频率,可进一步提高液位波动与冷轧板表面质量建立定量关系;开发铸机液位波动分析系统,预测板坯是否产生卷渣缺陷的指数边界值为50 mm²/s时,缺陷对应性准确率提高20%。采用液位波动评价指数表征方法既改善了传统生产过程中发现部分液面波动控制良好,冷轧卷仍存在表面缺陷质量问题,也改善了偶发浇铸液位波动幅值大于3 mm时,冷轧钢板表面未发现缺陷的质量情况,对国内外钢铁企业具有一定借鉴意义和指导作用。
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  轧制及冷却工艺对直接淬火NM400钢组织和性能的影响

  马凯, 杨庚蔚, 付至祥, 许德明, 徐耀文, 韩汝洋

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 77-85. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240103

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  在线直接淬火工艺将热轧和热处理相结合,省去了传统耐磨钢生产所需的离线再加热工序。利用热模拟试验机、金相显微镜和扫描电子显微镜等设备,系统研究了冷速、变形温度以及变形量对直接淬火NM400钢组织和硬度的影响。结果表明:当冷速为50 ℃/s时,过冷奥氏体全部转变为马氏体,硬度达到439.57HV。随着温度降低,试验钢再结晶程度逐渐下降,原始奥氏体晶粒尺寸与相变后马氏体板条束的尺寸先降低后升高,布氏硬度先升高后降低。当温度为880 ℃时,试验钢发生完全动态再结晶,原始奥氏体晶粒与马氏体板条束尺寸均最小,分别为7.13和3.52 μm,且布氏硬度最大,为474HBW。在该温度下,将变形量由40%提升至50%,可将原始奥氏体晶粒与马氏体板条束尺寸分别细化至6.11和2.52 μm,布氏硬度提升至488HBW。
材料研究
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  钇处理超纯铁素体不锈钢中TiN及凝固组织细化机制研究

  宋虎翼, 周星志, 王德永, 侯栋, 屈天鹏, 田俊

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 86-97. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240102

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  为了完整地揭示钇(Y)在超纯铁素体不锈钢中的作用,在低Y处理的基础上进行了高Y处理实验,3组平行实验Y添加量(质量分数)分别为0%(空白样)、0.016%(Y4样)和0.03%(Y5样)。TiN夹杂物检测结果表明,添加质量分数为0.016% Y后,钢中夹杂物的形貌和基本类型不发生改变,但是TiN夹杂物平均尺寸由4.33 μm降至3.35 μm,数量密度由59.18 mm^-2提高至190.01 mm^-2。通过机制分析,发现TiN细化主要归因于氧化物粒子数量增多。Y处理后,由于形核壁垒降低,得到了细化的凝固组织,并且钢中Y质量分数为0.016%时,等轴晶率由15.27%提高至37.12%,提高了21.85%;平均晶粒尺寸由3.202 mm降至2.074 mm,晶粒细化效率为35.23%。基于界面润湿-晶格错配非均匀形核模型,深入揭示了Y处理超纯铁素体不锈钢晶粒细化机制:TiN的数量密度(N_TiN)越高,临界形核过冷度(ΔT_c)越小,则实际的δ-Fe的非均匀形核率(I_heter)越大,最终的凝固组织等轴晶率越高、晶粒尺寸越小。
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  奥氏体相中溶质原子非平衡晶界偏聚的微观机制

  蔡义明, 魏然, 成林, 吴开明

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 98-103. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240125

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  非平衡偏聚的微观机制尚未完全阐明,其关键物理参量是溶质-空位结合能。该结合能与界面偏聚、扩散等物理现象密切相关,但实验数据难以获得。根据第一性原理密度泛函理论建立了基于双层反铁磁结构的fcc Fe中溶质-空位结合能的数据库。对该结合能的相关性分析表明,对于过渡金属元素,第一最近邻的溶质-空位结合能与杂质体积之间存在最强相关性,而对于主族元素,第一最近邻的溶质-空位结合能与电负性之间存在最强相关性。计算结果成功解释了B、P、S元素容易出现非平衡晶界偏聚现象的微观本质,预测出Si和As也很有可能形成溶质-空位复合体,有待实验检验。结果不仅揭示了非平衡晶界偏聚的微观机制,而且为合金化元素在晶界工程中的应用提供了科学依据。
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  基于BP神经网络18%~25%Cr奥氏体耐热钢持久性能预测

  王双莲, 冷心悦, 赵名扬, 朱昌浩, 程聪, 刘省

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 104-116. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240134

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  为建立不同温度和应力服役条件下18%~25%(质量分数,余同)Cr奥氏体耐热钢的成分-热处理工艺-持久性能的关系,以9种奥氏体耐热钢的成分、热处理工艺、持久试验断裂时间和持久试验温度作为输入参数,持久强度作为输出参数,并利用SHAP值和最大边缘相关性筛选特征,建立基于BP神经网络的18%~25%Cr奥氏体耐热钢持久性能预测模型。结果表明,相比于传统方法,该模型可构建18%~25%Cr奥氏体耐热钢体系在复杂服役条件下的成分-热处理工艺-持久性能的映射关系,实现不同18%~25%Cr成分的钢种的持久性能精准预测。针对具体钢种,结合BP神经网络模型和热力学计算方法可从组织-性能角度进一步筛选和优化其成分组合。
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  C-Mn钢连续冷却转变及相变动力学模型优化

  王志豪, 李红斌, 刘会群

  钢铁研究学报. 2025, 37(1): 117-126. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240123

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  C-Mn钢相变动力学方程的构建,对其微观组织调控和力学性能提升具有重要的指导意义。使用Gleeble-3500热模拟实验机、光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)等对C-Mn钢进行连续冷却转变行为研究,并基于相变产物对传统JMAK方程进行优化。结果表明:C-Mn钢经1 000 ℃完全奥氏体化后以0.5~50 ℃/s的速率冷却,随着冷却速率v的不断增大,过冷奥氏体先后经历铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相变,当冷却速率大于20 ℃/s时,组织为全马氏体,且对应转变温度区间分别为728~516 ℃、517~400 ℃和330~190 ℃。当冷却速率增大时,相变产物转变临界时间跨度t₀以指数形式减小,经指数拟合得t₀=120.6 v^-0.83。基于不同相变产物对晶粒生长指数n值的影响规律,建立不同冷却速率下n值关于冷却速率的函数关系式并构建了JMAK相变动力学方程。模型预测精度得到提升,对于JMAK方程在描述非等温快速冷却条件下多相转变过程具有一定推动作用。