2021年, 第28卷, 第8期　刊出日期：2021-08-25

  

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  变形高温合金中的夹杂物

  杨树峰，杨曙磊，曲敬龙，杜金辉，谷雨，赵朋，王宁

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 921-937.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00617-y

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  夹杂物严重影响变形高温合金性能的稳定性，限制了其在航空发动机和其他领域的应用和发展。本文综述了变形高温合金中夹杂物的类型和来源，从热力学和动力学的角度分析了夹杂物的形成条件。总结并完善了镍基和钴基合金中夹杂物形成的热力学数据。讨论了夹杂物对合金疲劳性能、拉伸性能和加工性的损害，以及夹杂物引起裂纹萌生和扩展的机理，综述了不同特性夹杂物对裂纹扩展的影响。此外，介绍了三联工艺(真空感应熔炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔)中夹杂物的控制机理及方法，为改进变形高温合金中夹杂物的控制技术提供了参考。最后，讨论了变形高温合金中夹杂物控制的限制性问题和发展趋势。
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  基于1990–2015年我国铁物质流分析的价值流和熵流分析

  岳 强，卜庆才，李 雪，赵 锋，贺俊豪，李 运

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 938-948.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00625-y

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  在过去的30年里我国的钢铁工业经历了巨大的变化。为了准确地了解其演变的具体状况，进行铁的物质流分析是至关重要的。为此，本文首先开展了我国1990-2015年铁的流动分析研究，并基于铁物质流的研究结果，分析了能够反映我国钢铁工业运行状况的铁资源效率、废钢指数和国内铁矿石自给率等指标在此期间的变化情况；然后在铁流分析的基础上开展了价值流分析和统计熵分析，得到了一些具有较大理论和实际意义的研究结果。针对研究结果进行了进一步的讨论和总结，并提出了对我国钢铁工业发展的建议。
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  高炉喷吹过程中烟煤与无烟煤混合燃烧的动力学研究

  杨立春, 庞清海, 何志军, 张军红, 湛文龙, 吕 楠

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 949-964.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00564-8

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  本文对单种和多种烟煤与无烟煤混合煤粉（挥发分20%）的燃烧行为进行了热重实验研究，结果表明煤粉的燃烧反应特性与其官能团结构之间存在较为紧密的联系，具有高活性官能团的煤粉在较低的温度下即可开始裂解，同时烟煤与无烟煤之间官能团结构的差异也将影响混合燃烧过程中烟煤与无烟煤的相互作用。低温下烟煤较早燃尽将导致挥发分和固定碳的独立燃烧，从而降低混合煤粉的燃烧效率。然而，将官能团结构较为相似的两种烟煤与无烟煤进行搭配，则更容易得到燃烧性能较为理想的混合煤粉。同时，非等温燃烧实验的结果表明，混合煤粉的燃烧行为皆遵循随机孔模型，因此采用随机孔模型计算的动力学参数对混合煤粉的燃烧行为进行了表征。动力学计算结果表明，挥发分较好的反应活性使得混合煤粉在燃烧初始阶段裂解反应的活化能较低，而残炭则由具有较高化学稳定性的芳香烃组成，因此需要更多能量来驱使混合煤粉后期的燃烧反应。
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  氧煤燃烧熔分炉熔池流动及喷溅行为数值模拟

  赵 凯，申耀宗，孔 征，张巧荣，张玉柱，石 焱，甄常亮，师学峰，张兴华

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 965-977.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00615-0

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  针对氧煤燃烧熔分炉内气泡及风口位置变化对熔池流动及喷溅行为的影响，采用三维数值模拟的方法，探究双排风口喷吹过程下，熔池内部流场行为及变化规律，并通过改变风口布置方式，进一步了解熔池内相分布及其喷溅情况，研究表明：在三维数值模拟条件下，气泡在脱离风口后上升并于熔池表面破碎对附近熔体具有一定波动；在风口喷吹的过程中，由于受到表面张力的影响，熔池中间部分气相堆积而形成部分泡沫渣；熔池表面边缘相变化程度较熔池中间更为激烈；上下排风口布置方式由交错分布变为对称分布以及上下排风口的间距改变，对其相分布及喷溅行为都有一定的影响。
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  1873 K温度下含FeO渣系冶炼硅脱氧H13模具钢中氧含量的预测

  李少英，李 彬，赵兴明，习小军，段生朝，郭 靖，郭汉杰

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 978-989.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00532-8

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  在1873 K温度下研究了含FeO渣系冶炼硅脱氧H13模具钢中的氧含量。通过[Si]-[O]平衡和[Fe]-[O]平衡，运用热力学和动力学计算了钢液中的氧含量。结果表明，随着渣中FeO含量的增加，[Si]-[O]平衡状态下的氧含量（即w([O])_Si）几乎没有变化。当[Fe]-[O]平衡状态下的氧含量（即w([O])_Fe）和w([O])_Si都小于钢液的初始氧含量（即w([TO])_i）时，钢中的氧含量（即w([O])）取决于w([O])_Si和w([O])_Fe中的较大值。在w([O])_Fe大于w([TO])_i条件下，w([O])的值为w([TO])_i和w([O])_Si的总和与w([O])Fe的差值。[Si]-[O]和[Fe]-[O]的反应速率相等，且氧在钢液中的传质为反应的限制性环节。本文所提出的氧含量评价方法适用于H13模具钢整个冶炼过程。
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  一种标定电渣重熔M42高速钢过程局部冷却速率的创新方法

  李万明，焦士超，仝文杰，臧喜民，李德军，姜周华，李花兵，井玉安

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 990-996.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00471-4

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  确定局部冷却速率对优化电渣重熔工艺参数和提高电渣锭质量具有重要意义。本文提出了一种标定电渣重熔M42高速钢过程局部冷却速率的创新方法。通过高温共聚焦显微镜使高速钢在不同冷却速率下重新凝固，然后用扫描电镜测定不同冷速条件下的高速钢碳化物网距。建立了冷却速率与平均碳化物网距的函数关系，根据这一函数关系标定了实际电渣重熔高速钢过程的凝固前沿局部冷却速率。结果表明，随着冷却速率的增大，碳化物网距逐渐变小。对于直径为360 mm的高速钢电渣锭，钢锭表面位置的平均冷却速率为0.562 °C/s，0.25D位置的平均冷却速率为0.057 °C/s（D为钢锭的直径），钢锭心部位置的平均冷却速率为0.046 °C/s。
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  基于CA-LBM模型强制对流枝晶生长研究

  孟祥宁，崔 磊，史祎涵，朱苗勇

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 997-1008.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00587-1

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  本文基于元胞自动机 (CA) 和格子Boltzmann方法 (LBM)建立一个二维耦合模型来模拟 Fe-C-Mn-S 合金在强制对流下的枝晶生长。该模型通过运动伪粒子分布函数演化和LBM分别求解强制对流条件下的溶质输送与流场运动，并且通过先前提出的局部溶质平衡法确定基于CA溶质场的枝晶生长动力学。将所建立的CA-LBM模型与Lipton-Glicksman-Kurz（LGK）解析模型进行比较，验证了枝晶生长模型的准确性。结果表明，与自由扩散条件下枝晶生长相比，枝晶对称结构被破坏，迎流测枝晶臂较垂直枝晶臂和背流枝晶臂发达，溶质在枝晶背流侧富集严重，迎流侧富集较轻；随流体流速增加，迎流枝晶臂长度先增加后不变，迎流枝晶臂粗化加剧，颈缩现象减轻，垂直枝晶臂变长。
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  基于修正的最大力准则的图解法描述22MnB5硼钢薄板高温成形极限曲线

  The-thanh Luyen, Quoc-tuan Pham, Thi-bich Mac, Tien-long Banh, Duc-toan Nguyen

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1009-1018.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00567-5

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  提出了一种预测高温成形极限曲线(FLC)的新方法。FLC经常被用于预测失效和确定汽车零件的最佳成形参数。首先，根据不同的硬化规律，使用基于修正的最大力准则的图解法预估室温下22MnB5硼钢薄板的FLC。然后，将预测的室温FLC数据与从Nakazima测试中获得的相应数据进行比较，从而获得最佳预测结果。为了预估高温下的FLC，在不同温度下进行拉伸试验，确定高温和室温等效断裂应变的比值，根据获得的比值建立高温FLC。但是，预测的高温FLC与Zhou等人的FLC实验结果有所偏离。因此，提出了一种新的方法来提高高温FLC的预测效果。计算的室温FLC通过有限元模拟预测Nakazima样品的失效情况。基于室温模拟结果，建立了等效韧性断裂应变与应力三轴度和应变比之间的数学关系，然后结合高温和室温的比值来计算不同的温度的FLC，预测的高温FLC与相应的实验FLC数据非常吻合。
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  Ti/V比对Ti-V微合金钢中MC相在γ/α中沉淀析出热力学和动力学的影响

  张 可，孙新军，李昭东，许 坤，贾 涛，朱正海，叶晓瑜，康均雨，雍岐龙

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1019-1029.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00539-1

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  根据三元第二相的固溶析出理论、经典形核理论和Ostwald熟化理论，建立了适合于(Ti, V)C在铁基体中沉淀析出的热力学和动力学计算模型，计算了不同Ti-V微合金钢中MC相在奥氏体(γ)和铁素体(α)中沉淀析出的体积分数、析出-时间-温度（PTT）曲线，形核率-温度（NrT）曲线，阐明了不同Ti/V质量比对MC相沉淀析出的热力学和动力学的影响，并通过硬度计、透射电子显微镜及能谱仪等实验手段对理论计算结果进行了验证。理论计算表明，降低Ti/V质量比，全固溶温度由Ti4V0钢的1226 °C不断降低至Ti0V4钢的830 °C，MC相在900 °C时的γ中沉淀析出的平衡态的体积分数从0.333%降低至0.091%，而且，MC相在铁素体中沉淀析出的最大形核率温度从748 °C 降低至 605 °C、最快析出温度从844 °C降低至675 °C。不同Ti-V微合金钢中MC相在γ和α沉淀析出的PTT和NrT曲线均分别呈现“C”和反“C”的形状。另外，理论计算和实验结果表明：在3种实验钢中，Ti2V2钢在600 °C保温100 h 长时间回火，其最高硬度为312 HV，主要是由于析出相具有较大的析出体积分数(0.364%)、较大的数量密度(1689 μm⁻²)和最小的纳米相尺寸(8.4 nm)。理论计算与实验结果相吻合，表明(Ti, V)C析出的热力学和动力学模型是准确可靠的。
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  超低碳Cr-Mn-N不锈钢中氮原子的配分行为及其对残余奥氏体含量的影响

  朱 哲，傅万堂，李荣斌，陈其为，周泽安，王振华，刘嘉庆，孙淑华

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1030-1036.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00560-y

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  通过膨胀仪、X射线衍射仪、场发射透射电子显微镜及配套的能谱仪对00Cr13Mn8N钢在淬火与配分过程中氮原子的配分行为及其对残余奥氏体含量的影响进行研究。在配分温度400 ℃时氮原子从马氏体中扩散至奥氏体中。配分后的氮原子在奥氏体中富集，这些富氮奥氏体的稳定性得到改善，并在随后的冷却至室温至过程中保留下来。淬火与配分过程中不同的淬火温度最终将得到不同相组成。随着淬火温度的增加，残余奥氏体含量先增加后减少，在淬火温度为80 ℃时得到最大值，为28.5 vol.%。并且建立了一种基于试样相对长度与相含量关系的数学模型用于快速准确地表征淬火与配分过程中奥氏体含量的变化。
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  高钢级管线钢在低温环境下显微组织与腐蚀行为关系研究

  敬加强，郭 杰，李 拔，贾书君，任 毅

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1037-1046.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00621-2

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  采用极化曲线和电化学阻抗实验，结合金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和背散射电子衍射系统，对比研究了高钢级管线钢在低温环境下显微组织与腐蚀行为的关系。结果表明：与室温和高温环境相比，高钢级管线钢在低温环境下的自腐蚀电位和电流密度降低，腐蚀电阻显著升高。同时，界面上的双电层结构更薄而致密。在低温环境下，与粒状贝氏体组织相比，针状铁素体组织由于其M/A组元的尺寸细小且数量少、小角度界面密度高、有效晶粒尺寸细小，从而表现出更加优异的耐蚀性能。
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  真空蒸发沉积纯锌镀层的生长机理研究

  邱肖盼，刘 昕，江社明，蒋光锐，张启富

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1047-1053.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00519-5

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  本文通过真空蒸镀技术在IF钢板和单晶硅片上同时制备了不同厚度的纯Zn镀层。研究了基体温度对镀锌层形貌和晶体取向的影响。当基板温度为25~50 ℃范围内时，样品的热稳定性较好，锌微晶呈片状，与基体表面呈特定角度生长。将基板加热至100 ℃时锌晶粒为正六边形，与基体表面几乎平行生长。此外，对不同厚度的纯锌涂层的观察表明，镀层晶体的生长经历了由随机生长向择优取向生长的转变过程，在合适的沉积工艺所得镀层截面均为排列紧密的柱状结构，柱状晶粒垂直贯穿于整个镀层截面且沿Zn（0001）择优生长。
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  Bi₂WO₆/TiO₂复合薄膜对304不锈钢的光生阴极保护性能

  王明亮，林 媛，卢一平，魏 娜，李廷举

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1054-1063.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00524-8

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  利用水热合成方法，制备了Bi₂WO₆纳米片/TiO₂纳米线和Bi₂WO₆纳米花/TiO₂纳米线复合薄膜。研究结果表明，Bi₂WO₆纳米片和纳米花负载到TiO₂纳米线上后，复合薄膜的光吸收范围可拓展到可见光吸收范围。由于Bi₂WO₆纳米花的禁带宽度较小，Bi₂WO₆纳米花/TiO₂纳米线复合薄膜具有更优异的光吸收性能。在模拟太阳光的照射下，TiO₂薄膜、Bi₂WO₆纳米片/TiO₂复合薄膜和Bi₂WO₆纳米花/TiO₂复合薄膜的光电流密度分别为25、62.5和95 μA/cm²。304不锈钢连接光照的TiO₂薄膜、Bi₂WO₆纳米片/TiO₂复合薄膜和Bi₂WO₆纳米花/TiO₂复合薄膜的光电压在3.5 wt.%NaCl溶液中，较不锈钢的自腐蚀电位减少了299、719和739 mV。因此，Bi₂WO₆纳米花/TiO₂复合薄膜对304不锈钢的光生阴极保护效果更佳。这项工作不仅提供了一个基于Bi₂WO₆的形状相关光阴极保护的例子，而且为在半导体材料的基础上设计理想的微结构用以光阴极保护的未来应用开辟了新的可能性。
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  不同镁铜含量富锌Al-Zn-Mg-Cu合金时效行为与析出特征

  李海超, 李 明, 杨冬野, 曹福洋, 贾延东, 于治水, 赵 健, 刘 桐, 詹 红, 陈 强, 孙剑飞

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(8): 1064-1073.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00540-8

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  通过喷射成形技术制备了四种不同镁铜含量富锌Al-Zn-Mg-Cu合金，系统地研究了镁与铜含量对合金时效行为与析出过程的影响。结果表明在欠时效和峰时效合金中首先析出的是GPII和η′相，没有观察到GPI区。在时效过程中，合金的溶解驱动力随着镁含量的提高而提高，因此，晶粒内部和晶界处析出相的体积分数明显增加，导致高镁含量合金屈服强度的提高和塑性的降低。铜含量对析出相的尺寸与体积分数没有明显作用，但是高铜含量可以有效阻碍析出相的粗化和转变，有利于合金维持峰时效状态。本研究对快速凝固高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金的成分优化提供了基础。