本文研究了敏化处理后不同Si和P含量对006Cr25Ni20不锈钢在沸腾HNO₃(质量分数为65%)溶液中腐蚀行为的影响,分析了腐蚀形貌及钝化膜组成,并观察了其微观结构。结果表明,当Si质量分数由0.076%增加至0.25%,钝化膜的组成并未改变,而是促进了M₂₃C₆在晶界析出。M₂₃C₆的析出导致晶界形成贫Cr区,进而呈现坑洞状的晶间腐蚀形貌,但M₂₃C₆并未沿晶界连续析出,而是以断续形式分布,因此晶间腐蚀深度未出现显著增加。当P质量分数由0.004%增加至0.012%时,不锈钢晶界呈现连续沟壑状的晶间腐蚀形貌,晶间腐蚀深度显著增加;同时其钝化膜的极化电阻降低,表面钝化膜中Cr₂O₃的占比减少,导致耐腐蚀性能明显下降。

硫(S)和磷(P)作为钢铁材料中的典型有害杂质,其含量对先进钢铁材料焊缝的成形质量与服役性能具有显著影响。在成形方面,S通过改变熔池流动特性和表面张力影响其形状与轮廓;P则主要改变液态金属表面张力,进而影响熔池在母材上的铺展行为与润湿性。在性能方面,S易形成低熔点硫化物夹杂并富集晶界,不仅增加热裂纹敏感性,更严重劣化焊缝金属的韧性与塑性;P则在凝固过程中发生显著的晶界偏析,弱化晶界结合力,成为裂纹萌生与扩展的源头,并显著降低焊接接头的韧性和强度。本文结合当前最新研究,综述了S、P元素对焊缝成形与性能的影响,并总结了当前二者的调控策略。

为构建新型电力系统并实现“双碳”目标,新一代煤电调峰机组大规模投运,其关键高温部件面临以疲劳-蠕变交互作用为特征的损伤模式。本文基于现行设计规范及P91/P92等材料试验数据,系统分析了锅炉厚壁部件在稳态与灵活调峰工况下的温度、应力及载荷变化特征,揭示了实验室高应力试验条件与实际低应力、频繁变载服役状态的差异,阐明了不同应力、温度及负荷变化、频率、速率等对蠕变孔洞演化、疲劳裂纹扩展及蠕变-疲劳损伤的影响机制。研究表明,调峰工况下厚壁部件因瞬态热应力与局部塑性应变显著提高,主导失效模式由稳态下的蠕变失效转变为以低周热疲劳及蠕变-疲劳交互为主的复杂损伤。结合工程案例,提出采用G115、C630R等高性能合金、优化部件几何形状降低应力集中、建立在线寿命评估系统等对策,构建近工况蠕变-疲劳试验体系与多因素损伤模型,并制定适用于调峰机组的材料选型指南,是保障其长期安全运行的关键。

强磁场作为1种新兴的非接触式高能物理场,通过洛伦兹力、热电磁力、磁化力、磁力矩及磁晶各向异性能等多种力学、磁学及能量效应,在不改变材料化学成分的条件下调控金属凝固过程,为改善凝固组织与性能提供了新途径。本文系统梳理了强磁场作用下金属凝固行为与组织演变的研究进展,涵盖不同磁场形式及其基本作用方式,归纳了磁场对电阻率、润湿性、扩散系数、相变温度和磁化率等基础物性的影响;从热力学与动力学角度,分析了磁场对熔体流动、动量传输、溶质迁移及固/液界面稳定性的调控机制;总结了磁场对成分偏析、凝固组织形态、柱状晶向等轴晶转变、晶粒细化、晶体取向及第二相颗粒形貌的作用规律。现有研究表明,各类磁效应与温度场、流场、溶质场和界面演化相互耦合,其主导作用受磁场强度、方向与梯度、温度梯度、凝固速率及合金磁化率等因素共同影响。最后,提出建立多磁效应竞争与协同的定量判据,发展数据驱动预测和强磁场高温原位表征技术,以推进磁场凝固技术的工程化应用。

为了研究添加不同中间层对马氏体不锈钢00Cr12Ni10MoTi和新型Cu合金Cu3Cr1.5Nb的扩散连接机制,使用Ni箔、AgCu37.5中间层作为填充材料,在980 ℃、保温90 min和5 MPa压力的条件下,采用真空扩散连接技术将马氏体不锈钢和新型Cu合金进行连接。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和万能拉伸试验机,对不同中间层焊接接头的微观组织和力学性能进行了系统的表征。研究结果表明,3组试样都形成了一定程度的界面冶金结合,其中,直接扩散焊的试样焊接界面不连续,接头的抗拉强度为476.36 MPa,断口存在韧窝形貌,呈现韧性断裂特征。添加AgCu37.5中间层的试样接头中,Ag具有向Cu扩散生长的特性,并在钢基体晶界处偏聚,同时在钢基体上出现裂纹缺陷,这是由于钎料能够润湿铺展母材,界面两侧产生Kirkendall空洞,拉伸后在焊缝处断裂,接头的抗拉强度为479.61 MPa,抗拉强度提升了0.7％,断裂行为表现为韧-脆混合模式。添加Ni箔的试样接头与Cu侧、钢侧均产生优异的界面冶金结合,在界面处形成韧性固溶体、Cr₃Ni₂金属间化合物以及Kirkendall空洞,接头的抗拉强度可达491.38 MPa,抗拉强度提升了3.1％,拉伸后在Cu基体处断裂,断口存在明显的韧窝形貌,呈现韧性断裂特征。因此,采用Ni箔中间层扩散连接不锈钢与Cu合金可以实现具有充分的界面冶金结合和优异性能的连接。

随着“双碳”目标的持续推进,废钢在炼钢原料中的比例不断增加。废钢中Cu、Sn、Sb、N等残余元素对钢的制备工艺,尤其是热裂倾向性的影响,已成为制约废钢循环利用的关键问题。本文系统梳理了废钢冶炼中残余元素的来源、分类及其在冶炼过程中的行为特征。在此基础上,综述了热裂形成的主要理论,并对比了各热裂预测判据的适用性与局限性;重点探讨了Cu、Sn、Sb、N四种典型残余元素在钢凝固过程中的偏析行为、析出特征及其对热裂的影响机制。其中,Cu易在晶界富集形成低熔点相,扩大脆性温度区间;Sn和Sb具有较强的晶界偏聚倾向,显著降低晶间结合力;N则通过形成氮化物或影响凝固路径来改变热裂敏感性。最后,分析了当前研究在高废钢比条件下残余元素控制策略、元素交互作用及原位表征技术等方面的不足。

残余应力诱导的异常晶粒长大(AGG)是镍基合金形成严重混晶组织的关键机制之一。本文以表层区域具有高残余应力的GH4202合金轧棒为对象,在高/低初始残余应力条件下研究了固溶过程中的组织演变,并利用EBSD/SEM表征及理论分析,系统揭示了表面粗晶环缺陷的形成机制。研究表明,残余应力对AGG过程存在显著调控作用,但并非其必要条件。在高表面残余应力作用下,固溶时轧棒边缘首先发生局部静态再结晶,进而引发3个阶段AGG,最终形成严重粗晶环;而在初始残余应力降低后,材料仍可通过2个阶段AGG形成厚度较浅的粗晶环。在2种情况下,粗晶环形成的核心机制均源于初始晶粒尺寸(反映曲率驱动力)与碳化物钉扎力之间的匹配关系所引发的AGG,残余应力则起到促进作用。因此,消除粗晶环缺陷需重点考虑调整固溶前晶粒尺寸或调控钉扎力大小,据此提出了工艺改进措施。

薄带连铸作为契合国家“双碳”目标的钢铁短流程制备技术,具有显著的节能降碳优势,然而,其亚快速凝固过程中的界面行为与传统连铸存在本质差异,尤其在成分体系复杂、附加值高的先进钢种中,界面行为(沉积膜、润湿、传热)与凝固过程耦合作用更为复杂,频发的表面裂纹已成为制约其规模化应用的关键瓶颈。本文围绕薄带连铸钢液亚快速凝固过程中的界面行为研究现状进行综述,重点分析特殊合金元素对沉积膜形成及界面润湿与传热的影响机制,随后综述典型先进钢种表面质量的研究进展,分别探讨高强钢、耐候钢等工业化进展较为成熟的钢种所面临的特殊表面质量问题;最后,对未来薄带连铸表面质量控制方向进行展望,指出突破“界面行为-相变过程-裂纹形成”内在联系的理解、实现界面与凝固过程的协同优化是改善表面质量的关键路径。

变组分延迟浇注方法是大型钢锭改善宏观偏析的重要手段之一,但其作用机制及工艺参数影响规律尚不清晰。本文基于自主建立的宏观偏析数值模型,对不同延迟浇注工艺参数条件下宏观偏析行为进行了系统分析。研究结果表明,增加浇注延迟时间、增大钢包间成分差异、提升冒口浇注高度均会使铸锭中心正偏析程度逐步降低,但会加剧工艺影响过渡区的成分梯度,导致局部成分不均问题愈发明显。进一步分析发现,延迟浇注会在凝固前沿形成沿界面向下的液流,改变熔池内溶质的输运规律,并快速重塑局部温度与溶质分布状态;与此同时,高温、低溶质含量钢液的汇入,还会造成凝固前沿发生局部重熔。因此在设计延迟浇注工艺时,需综合考量中心正偏析的控制效果、过渡区成分均匀性以及凝固前沿的稳定性,以此实现大型钢锭宏观偏析的精准调控。

本文采用金相显微镜、X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等显微分析技术,研究了热处理工艺对30Cr15Mo1N钢组织和性能的影响。在不同温度加热2 h后淬火,随后进行-73 ℃深冷处理1 h和160 ℃低温回火处理2 h。结果表明,试验钢的晶粒尺寸随淬火加热温度的升高而增大,从950 ℃提升到1 050 ℃时,晶粒尺寸从9.8 μm缓慢长大到19.8 μm,从1 075 ℃提升到1 200 ℃时,晶粒尺寸从38.6 μm快速长大到121.0 μm,晶粒粗化温度为1 075 ℃;析出相主要为M₂₃C₆型碳化物和M₂(C,N)型碳氮化物,其溶解温度分别为1 000和1 100 ℃。在淬火过程中,析出相溶解导致晶粒尺寸长大,同时提高了奥氏体强度和稳定性;C、N、Cr、Mo等元素回溶降低了试验钢的马氏体开始转变温度(M_s),导致淬火时奥氏体转变不完全,加热温度为1 075 ℃以上时残余奥氏体体积分数可达80%左右。降低试验钢中残余奥氏体体积分数的关键方法是将淬火加热温度控制在1 000 ℃左右,并结合深冷处理和低温回火工艺,可达到残余奥氏体体积分数小于5%、硬度不小于58.0HRC且线膨胀系数小于1.2×10^-5℃^-1的理想水平,从而满足轴承钢对高硬度和高尺寸稳定性的苛刻要求。

FeCrNiCoMo型低温不锈钢兼具高强度与优异低温韧性等特性,在低温工程、航空航天等领域有广阔的应用前景。针对此类不锈钢增材制造过程中的氧增现象,本研究对比分析了添加铝与钛2种氧化物形成元素对不锈钢中氧化物特征、微观组织演化及力学性能的影响规律。研究结果表明,与铝系氧化物相比,钛系氧化物在增材制造后呈现更细小弥散的分布形态,且沉积态样品中胞状组织尺寸更小。该不锈钢经增材制造及均匀化处理后,力学性能显著提升。以钛作为氧化物无害化添加元素时,材料屈服强度可达 1 208 MPa、抗拉强度达1 245 MPa,且在-196 ℃时低温冲击韧性为82 J,添加Al的不锈钢低温韧性为59 J,钛添加体系较铝添加体系提升约39%。本研究认为,对于增材制造过程中对夹杂物敏感的高强韧钢,通过优化氧化物形成元素的选择与应用,可有效改善材料力学性能。

Fe-Cr-Ni-Mo-Co低温用马氏体时效不锈钢是一种具有优异室温强度与低温冲击韧性匹配的钢种,但该钢种的焊接难度较大。焊接作业产生的内应力过高时,焊接过程中易引发热裂纹。为抑制该类缺陷,需在焊缝熔敷组织中析出适量δ铁素体,但过量δ铁素体会显著劣化焊缝的低温冲击韧性。因此,需通过合金成分优化设计,使焊缝中δ铁素体的析出量处于合理范围,从而在不严重恶化焊缝低温冲击韧性的前提下抑制热裂纹的产生。本研究通过成分设计得到一种针对Fe-Cr-Ni-Mo-Co马氏体时效低温不锈钢的专用焊丝,研究该焊丝熔敷组织中δ铁素体的析出机制,调控焊丝熔覆组织中的δ铁素体含量,使焊缝熔覆组织中δ铁素体体积占比控制在3%~4%范围内,最终使-196 ℃低温韧性提升至58 J、室温强度提高20%、焊接接头系数不低于0.9。

传统工艺制造双相不锈钢铁素体相含量的增加往往伴随晶粒尺寸长大,限制其强度的提升。本文采用粉末冶金热等静压(PM-HIP)工艺制备25Cr型低氮双相不锈钢,在保证两相晶粒尺寸细小的同时,通过后续固溶热处理调整铁素体相含量,并系统研究制备过程组织演变与力学性能之间的关系,揭示了由铁素体相主导的强化机制。通过研究发现,初始粉末组织为纯铁素体,经热等静压成型后获得含σ相的奥氏体和铁素体双相基体组织的烧结件。烧结件经1 050 ℃固溶热处理保温30 min可有效消除σ相。调整固溶热处理温度从1 050 ℃升高至1 200 ℃,铁素体相平均晶粒尺寸从9 μm增加至18 μm,屈服强度从547 MPa提高至768 MPa。铁素体相含量的显著增加促进了易屈服相奥氏体内间隙元素(氮元素)质量分数呈倍数增长,驱动两相同步强化,最终显著提高屈服强度。

扁平形多孔浸入式水口是薄板坯高拉速连铸的关键设备,其出口孔数增加可保障钢液供给,但会复杂化结晶器流场并影响传热、凝固和溶质输运过程。为揭示水口结构作用规律,本文针对Q235B钢薄板坯连铸过程,建立耦合流动、传热、凝固、溶质输运及恒定背景磁场的三维数值模型,分析四孔和五孔水口在不同拉速下对流场、温度场、坯壳生长及碳偏析的影响。结果表明,水口孔数和空间分布显著改变射流分配与回流结构。五孔水口因出口增多且内腔空间较小,在相同拉速下出口射流速度较高,结晶器内形成更明显的多股射流,弯月面下方0.4 m处速度峰值约1.6 m/s,高于四孔水口的0.9 m/s;其横向流动促进过热钢液向下部和窄面输送,减小水口附近高温区并改善结晶器近窄面区域温度均匀性。坯壳生长受拉速影响明显,随拉速升高,2种水口出口坯壳均减薄,应用四孔水口时变化更显著。碳偏析受钢液流动、热量输运和溶质偏聚共同控制,在钢液的冲刷下凝固前沿会形成正偏析区。随拉速升高,五孔水口峰值位置逐渐下移,且保持在1.20~1.22范围内,受拉速提升影响较小。综上所述,合理匹配多孔水口结构与高拉速工艺参数,有利于改善结晶器内流场组织、保障结晶器出口坯壳厚度并减轻中心偏析。

焦粉作为烧结生产的主要燃料,其粒度分布对烧结产质量指标和能耗水平影响显著。现行焦粉粒度检测通常采用人工取样-烘干-振动筛分的方式,操作复杂、滞后时间长,不利于对破碎系统和配料系统进行及时调控。虽然图像识别在线检测运动物料粒度的技术发展迅速,但焦粉破碎、配料流程中焦粉粒度细小、环境恶劣,给图像采集与粒度识别带来了严峻考验。设计了一套面向复杂工业环境的图像采集系统,由图像采集箱和多级除尘管道组成,以减少光照、温度和灰尘对图像采集的影响。并针对焦粉颗粒细小的特性,利用改进的神经网络多次优化训练粒度识别模型,识别运料皮带上的表层焦粉粒度分布,再结合机器学习算法构建预测模型,将图像识别得到的表层粒度分布与人工筛分数据相结合,训练生成预测整体焦粉粒度分布的模型,从而提高识别精度。该图像采集和粒度识别系统在国内某钢铁企业焦粉破碎车间投入应用,应用结果表明,该系统对(0,0.5)、[0.5,3)、[3,5)和[5,∞) mm四个区间焦粉粒度分布比例的识别误差均小于3%。

随着重大装备和能源工程的发展,超大型金属铸件在核电、船舶、风电、冶金及重型机械等领域的市场需求持续增长,对其内部质量与性能提出了更高要求。为阐明超大型钢锭的凝固机制,本文采用三维混合柱状晶-等轴晶-液相多相凝固模型,模拟了303 t 16Mn钢锭的冷却与凝固过程。该模型基于体积平均多相框架,通过求解流动、传热、溶质传输和等轴晶数密度方程,计算了铸锭在凝固过程中的钢液流动、等轴晶的运动、溶质在固液界面的再分配和凝固相变过程潜热的释放,实现了对等轴晶和柱状晶多相凝固过程的预测。该模型考虑了由树枝晶高次枝晶臂断裂而造成的等轴晶形核机制,计算了等轴晶在传输过程中的凝固和熔化现象。研究结果表明,钢锭底部和侧壁区域冷却速率最高,促进了柱状晶的快速生长;凝固前沿附近枝晶臂的断裂产生大量等轴晶,较重的等轴晶在重力作用下沉降并在铸锭底部区域聚集。该机制促进了柱状晶向等轴晶的组织转变,导致铸锭底部形成倒三角形状的等轴晶区。等轴晶分布对宏观偏析的分布影响显著:在铸锭底部,溶质贫化的等轴晶晶粒聚集,导致该位置出现负偏析;富集溶质元素的熔液在凝固过程中持续上浮,导致铸锭轴线和顶部冒口附近形成显著的正偏析。同时,模型预测到了冒口区域附近通道偏析的形成,模拟得到的宏观偏析分布及凝固组织与试验和以往发表的铸锭解剖试验结果分布规律一致。

烧结终点(Burn-through Point, BTP)状态直接影响烧结过程的产量、质量和能耗指标。针对目前BTP的预测在时间跨度和工况适应性方面均存在不足的情况,提出一种结合卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和长短期记忆神经网络(Long Short-term Memory,LSTM)的烧结终点长期预测方法。利用可以通过CNN模块从输入数据中提取跨特征的局部时序模式,结合LSTM的时序动态建模能力,对数据集内部特征的长时间尺度关系建模,形成高效的混合模型,进而在混合料布料点火阶段提前对烧结终点进行预测。试验和应用结果表明,在45 min的预测窗口下该模型的平均绝对误差低于0.4节风箱,在±0.8节风箱内预测准确率达89.2%,为长时间跨度下烧结终点预测提供了实用的解决方案。

钒钛磁铁矿直接进行钠化提钒可提高全流程过程中钒的回收率,但此操作会导致钠盐添加量过大、高钠尾渣难利用。针对这一问题,本文提出了钠钙复合焙烧提钒新工艺,该工艺通过碳酸钠与碳酸钙的协同作用,可在降低钠盐用量的同时提升钒的回收率。试验结果表明,与传统钠化提钒工艺相比,钠钙复合焙烧体系经水浸后钒的回收率可提升3.29%,达到75.19%;钠盐使用量可由6%(质量分数,余同)降低至4%。与酸浸工艺相比,钒的回收率显著提高25.18%,达到97.08%;碳酸钠(Na₂CO₃)使用量可由6%降低至5%。该技术以廉价易得的碳酸钙(CaCO₃)替代16.6%~33.3%的Na₂CO₃,使尾矿中钠质量分数由2.360%降低至0.032%~1.790%,残钒质量分数由0.240%降低至0.029%~0.211%,表明钠钙复合焙烧工艺在降低生产成本、提升资源利用率及保护环境等方面具有显著优势。

以抚顺特钢生产的滚珠丝杠用50CrMo钢作为试验材料,研究其冶金质量评价和滚动接触疲劳性能。采用白光干涉仪、显微硬度计和扫描电子显微镜等方法对疲劳剥落形貌进行多维度表征。结果表明,试验钢具有较高的洁净度和均匀度水平,在4.0 GPa载荷下的滚动接触疲劳寿命L₁₀=1.143 9×10⁷次。发生疲劳破坏的样品根据其剥落形貌可以分为2类,一类是小尺寸点状剥落,其发生疲劳破坏的主要原因是表面接触状态不良,另一类是大尺寸带状剥落,其原因是硫化锰夹杂物引起的次表面起源型裂纹,在疲劳剥落扩展中,随着接触面粗糙度的上升,表面起源型裂纹逐渐占据主导地位,最终形成混合型剥落形貌。在4.0 GPa载荷下,50CrMo钢亚表层MnS夹杂物引起次表面裂纹,发生油楔效应导致裂纹逐渐扩展。因此,在高应力水平服役环境下,应提高钢的洁净度水平。

高强双相汽车钢DP590钢应用广泛,但在日趋严苛的使用环境下,由铸坯内部质量缺陷引起的轧材均质性问题开始逐渐凸显,而连铸轻压下工艺是解决这一问题的有效技术途径。针对DP590双相汽车钢连铸板坯的中心疏松、缩孔、中间裂纹等内部缺陷,本研究结合数值模拟与热模拟试验,系统分析了不同压下量下铸坯的热状态与微观组织演变规律,以此确定合理的轻压下量控制区间。研究结果表明,轻压下作用可有效传递至铸坯中心区域,当压下量由0 mm增加至18 mm时,铸坯中心节点温度降低0.633 ℃,一定程度上加快了中心凝固进程,但同时铸坯中心形变波动显著增大,中心裂纹萌生与扩展风险随之提升。应力应变分布规律分析显示,铸坯表面应力主要集中于角部区域,且外弧应力水平明显高于内弧,内弧应变值显著大于外弧。随着压下量增大,铸坯内外弧整体应力同步升高,内弧应变增幅尤为显著,进而导致铸坯宽度方向变形不均,产生不均匀展宽现象。热模拟试验进一步证实,轻压下工艺可有效细化铸坯凝固组织,同时对块状铁素体的析出行为产生显著影响。其中,距铸坯内弧1/4厚度位置处,9 mm压下量对应的凝固组织均匀性最佳,可有效抑制铸坯中间裂纹的产生。

针对连铸坯中夹杂物成分空间分布难以测量和预测的问题,本文以某钢厂生产的280 mm×380 mm大方坯为研究对象,将Brody-Fleming偏析方程与夹杂物成分转变热力学和动力学模型进行了耦合,9种元素的平衡分配系数均采用FactSage 计算,并拟合为液相分数的线性函数,所建立的耦合模型在完善元素热力学性质描述的基础上,实现了连铸过程中钢中溶解元素含量和夹杂物含量三维空间分布及动态演变的同步预测。计算结果表明,模型能够较好表征连铸过程中溶质元素和夹杂物含量的空间分布特征。在弯月面以下27 m处,连铸坯中心区域计算得到的总硫质量分数约为0.007%、总铝质量分数约为0.003 8% 、溶解铝质量分数约为0.002 64%。由于连铸坯不同位置溶解元素含量存在差异,所以夹杂物成分演变规律也表现出明显的空间不均匀性。在连铸坯边部,夹杂物含量计算结果与测量结果较为接近;在连铸坯内部,Al₂O₃、CaO、CaS和SiO₂含量的计算结果与测量结果吻合较好,而连铸坯中心区域MnS含量的计算值高于测量结果。受MgO热力学性质影响,其计算结果与测量结果主要在数值上较为接近,但在空间分布规律上仍存在差异。总体而言,模型计算得到的元素含量与试验测量结果具有较好的一致性。

压力容器装备正朝着长寿命、高可靠性方向迭代升级,对材料的高温强度与疲劳性能提出了更为严苛的要求。23CrNi2MoVNb(S2)钢作为新型耐高温压力容器用钢,其700 ℃高温强度较传统材料提升2倍以上,达到500 MPa级别,可作为关键延寿材料,充分满足未来新型压力容器的技术需求。本研究通过拉伸、疲劳等试验手段,系统探究了该材料的力学性能及低周疲劳特性,并与现役25Cr3Mo3NiNbZr(S1)钢开展对比分析,旨在揭示其疲劳断裂机制。研究结果表明:相较于S1钢,S2钢的室温抗拉强度提升11.35%、屈服强度提升30.54%;700 ℃高温环境下,其抗拉强度进一步提升28.15%,屈服强度提升幅度达44.22%。相关测试结果表明,S2钢的疲劳强度系数为1 693 MPa、循环强度系数为1 429 MPa、疲劳过渡寿命为1 623次,相较于S1钢分别提升了35.77%、18.69%、12.47%。通过疲劳断口微观表征发现,S2钢的疲劳裂纹起源于表面,扩展方式以解理为主;而S1钢存在多个起裂源,裂纹更易萌生,扩展机制主要为以沿晶断裂与解理断裂并存。微观分析显示,S2钢的疲劳条带平均宽度为10.23 μm,显著小于S1钢的2.38 μm,表明S2钢的疲劳裂纹扩展速率更低;在瞬断区,S2钢形成的韧窝等效直径达 48.97 μm,大于S1钢的34.71 μm,且其韧窝呈现大而深的形貌特征,表明S2钢具有较好的塑性与抗疲劳性能。相分析结果表明,S2钢中纳米级MC与M₂C析出相占比较高,不仅显著提升了基体强度,还能有效阻碍循环载荷下位错的反复滑移,减少塑性变形积累,这是其疲劳强度系数与循环强度系数较高的主要原因。此外,微观分析与断口特征显示,S2钢的晶粒度达9.5级,较S1钢细化30%以上,且疲劳条带平均宽度缩小一半,有利于降低疲劳裂纹扩展速率,这是S2钢疲劳过渡寿命高的主要原因。

钢结硬质合金在耐磨材料领域有着广泛应用,一般采用粉末冶金烧结工艺制备,历经混粉、压型、烧结等过程,具有周期长、工艺复杂、批次稳定性难以控制的特点。本文采用气雾化制备含有30%WC(质量分数)的复合粉末代替多种元素混粉工艺,采用放电等离子烧结(SPS)制备钢结硬质合金。主要研究了不同烧结温度下(850、950和1 000 ℃)以WC为增强相的钢结硬质合金的显微组织及力学性能变化,并探究了从粉末到SPS烧结态微观组织的演变过程。研究结果表明,随着SPS烧结温度的升高,组织中孔隙逐渐减少,致密化程度提高,硬度增加。粉末阶段Fe、W、C元素以亚稳态的Fe₆W₆C形式在粉末颗粒内部呈网状分布。烧结温度升高的同时,亚稳相分解,沿着粉末颗粒边界及晶界析出更加稳定的WC和Fe₃W₃C,且元素扩散更加强烈,粉末颗粒边界WC数量增加,但尺寸未发生显著变化。

针对连铸坯一火材工艺制备高标轴承钢常见的夹杂物型水浸探伤不合问题,本文从精炼与浇注源头系统探究了该类缺陷的来源与形成机制,并提出基于结晶器内钢水流动控制的有效措施。通过对轧材探伤缺陷部位、冶炼过程钢液和铸坯中夹杂物特征以及水口结瘤物成分的关联分析,本文发现轧材中呈链状分布的大尺寸Mg-Al-(Ca)-O类复合夹杂物是造成水浸探伤不合的主要诱因。钢中内生Al₂O₃和MgO-Al₂O₃夹杂物在浇铸过程中聚集在水口内壁形成结瘤,结瘤物脱落后未能在结晶器中有效上浮,进而从铸坯遗传到轧材中。结瘤物上浮效果差是由结晶器流场不合理造成,为此采用1∶1物理模拟并结合数值模拟的方法优化了水口结构。基于此,本文所提出的上倾角式四侧孔浸入式水口,可在不引起液面异常波动和卷渣的前提下,活跃结晶器流场并促进夹杂物上浮去除,采用该水口浇注后,高标轴承钢一火材的水浸探伤合格率由62%提高至95%以上。

为了建立W9Cr4V2Mo钢奥氏体化工艺与碳化物、晶粒之间的联系,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)等表征技术,结合热力学计算与Image-Pro Plus 6.0图像分析软件,研究了不同奥氏体化温度(1 140~1 240 ℃)及不同保温时间(5~20 h)对高碳高合金W9Cr4V2Mo钢碳化物溶解及晶粒长大规律的影响。结果表明,在高温均质化过程中,随着均质化温度的升高,M₆C型碳化物优先溶解,MC型碳化物随后溶解。随着均质化温度以及保温时间的升高,碳化物面积分数有减少的趋势。在碳化物回溶过程中,其表面曲率会持续变化,碳化物的棱角性指标也随之波动。当温度超过1 200 ℃时,材料中会出现混晶现象。此外,本研究通过统计测定不同奥氏体化温度与保温时间下的晶粒尺寸及碳化物特征参数,采用阿伦尼乌斯型公式对奥氏体晶粒长大行为进行拟合,并综合考量奥氏体化温度与保温时间的影响,得到了在该范围内(1 140~1 240 ℃,5~20 h)适用于W9Cr4V2Mo钢的晶粒长大动力学模型。

高温轴承在750 ℃以上服役时,滚珠和套圈容易产生压痕、表面磨损,甚至发生断裂失效,严重制约其可靠性和服役寿命。因此,提升高温合金的综合强度与韧性成为高温轴承材料设计的核心问题。本研究以GH4199合金为基础,通过去除W、Mo元素制备CB10G1合金以及进一步添加质量分数为0.59%的Nb制备CB10G2合金,系统研究Nb对高温镍基合金组织演变及力学性能的调控作用。试验在终锻温度不小于1 050 ℃条件下进行,材料状态包括锻态、锻后720 ℃×8 h空冷,以及锻后720 ℃×8 h空冷再加620 ℃×8 h空冷时效3种。研究表明,加入质量分数为0.59%的Nb后,在3种状态下,与CB10G1合金相比,CB10G2合金的抗拉强度分别提升了10.0%、8.4%和7.3%,屈服强度分别提升了19.5%、13.5%和10.6%,洛氏硬度分别提升了80%、21.7%、10.7%,同时CB10G2合金的伸长率和断面收缩率也有所提升。微观组织分析显示,Nb在固溶和时效过程中促使晶内及晶界处形成细小、均匀分布的NbC颗粒,抑制晶粒长大,并促进γ′相细小、均匀析出,增强晶界钉扎效应,从而改善合金的晶界稳定性。此外,Nb通过调控γ′相分布与晶界碳化物形态,有效延缓裂纹萌生与扩展,使断口韧窝分布更加均匀,实现高强度状态下的韧性保持,体现了析出强化与晶界强化的综合效应。

如何对铝脱氧钢中Al₂O₃氧化物夹杂进行控制一直是冶金生产过程中的痛点问题。钙处理可将高熔点的Al₂O₃氧化物夹杂改性为低熔点的钙铝酸盐(12CaO·7Al₂O₃),有效抑制水口结瘤,提高钢材的抗氢致裂纹性能。然而,钙的加入时间、加入方式等参数直接影响钙的收得率和夹杂物改性程度,若控制不当,反而会加剧水口结瘤现象。因此,本文综述了铝脱氧钢中钙处理对非金属夹杂物的改性作用,从动力学和热力学角度阐释了其作用机制及关键影响因素,包括钢液温度、钙的添加方式和添加时间、精炼渣系的CaO/Al₂O₃以及钢液中O、S、Al含量对夹杂物组成演化与液相占比的影响。本文讨论了钙处理的工艺优化方向,旨在提升钙的利用效率与夹杂物控制水平,包括二次钙处理、含钙硅铁的应用、钙-镁合金协同等创新方法。

随着海洋装备逐步向深远海与极寒区域延伸,大厚度海洋工程用钢对低温强韧性和服役可靠性提出了更高要求。为解决厚钢板芯部组织易粗化、韧性差的难题,利用亚微米级非金属夹杂物诱导针状铁素体异质形核的氧化物冶金技术,已成为改善其心部组织与性能的核心手段。然而,在实际大断面连铸凝固过程中,各类夹杂物极易发生碰撞、团聚并生成大尺寸有害颗粒,该现象不仅破坏细小夹杂的均匀分布,还会割裂钢基体,诱发疲劳开裂。现有化学改性手段与依托斯托克斯定律开发的物理净化工艺,难以同时实现“去除大尺寸有害夹杂物”与“细化弥散小尺寸有益夹杂物”的双重目标。针对这一亟待解决的夹杂物均匀化调控难题,本研究基于电流密度梯度驱动理论,提出了1种利用脉冲电流调控钢液凝固过程中夹杂物均匀化分布的新方法,并系统探究了脉冲电流对夹杂物均匀化分布的调控机制。研究结果表明,脉冲电流频率是决定夹杂物迁移效率的关键参数。工业连铸试验进一步证实,脉冲电流可驱动铸坯心部聚集的夹杂物向坯体两侧迁移,从而消除铸坯心部严重的夹杂物富集现象,实现非金属夹杂物在铸坯全断面上的均匀分布。与此同时,经脉冲电流作用后,夹杂物平均尺寸显著降低,细小夹杂物的比例显著提高,这是由于夹杂物界面微区电流绕流引发的局部焦耳热效应降低了夹杂物的表面能,提升了钢液对非金属夹杂物的润湿性,进而提高了夹杂物间碰撞聚合的热力学势垒,抑制了夹杂物的碰撞长大。

针对国内某企业双真空冶炼Inconel 718合金铸锭中存在的偏析与组织不均匀问题,采用有限元数值模拟、热力学计算及微观组织表征等手段,系统研究了真空自耗熔炼过程中的熔池演化规律、枝晶组织特征与元素偏析行为,以及均匀化处理中Laves相回溶及Nb扩散动力学特性。研究结果表明,真空自耗熔炼过程中,熔池形貌由初始浅平逐渐演变为稳定的“U”形;糊状区的扩展使枝晶尺寸由铸锭表层向中心逐渐粗化。Nb、Mo等元素在枝晶间呈现明显正偏析,铸锭整体表现为顶部组织劣化、中心偏析加剧的不均匀特征,其中顶部中心区域的Nb偏析系数最高达2.86。在均匀化过程中,Laves相逐渐回溶,Nb元素分布趋于均匀。动力学分析表明,Laves相体积分数随均匀化时间呈指数衰减。通过优化两段式均匀化工艺,Nb残余偏析指数由铸态的1.00降至0.14,最终确定最佳均匀化制度为1 160 ℃保温20 h后升温至1 180 ℃保温45 h,所建立的残余偏析指数模型可为Inconel 718合金均匀化工艺的优化提供理论依据。经上述工艺制备的合金棒材整体组织致密均匀,无明显宏观缺陷,平均晶粒度达8~10.5级,室温及高温拉伸性能、持久性能及冲击韧性均优于国家标准要求。

采用淬火-配分-回火(Q-P-T)工艺,研究冷轧Q&P980钢在不同淬火温度(285、310和335 ℃)下的组织演变规律及力学与成形性能调控机制。结果表明,随着淬火温度升高,马氏体形貌由块状转变为均匀细小的板条状,残余奥氏体体积分数及其碳含量呈先升高后降低趋势,当淬火温度为310 ℃时力学性能最优。淬火温度升高导致扩孔率、塑性应变化(r值)及极限成形曲线呈下降趋势,平面各自异性指数(Δr)值则呈上升趋势。当淬火温度285 ℃时,较多的再结晶{111}织构及大角度晶界减弱了由晶粒取向差异导致的平面各向异性,成形性能最优。淬火温度为335 ℃时,存在较强的α纤维织构,同时γ纤维织构强度降低,共同导致材料成形性能劣化,这表明了成形性能与力学性能虽存在一定的相关性,但是更应关注织构类型及其组织分布对成形性能的影响。

为降低碳排放,高效回收冶金粉尘中锌、铁元素,对碳氢气氛下冶金粉尘的反应体系进行热力学分析非常重要。通过高温焙烧试验系统研究了不同工艺参数(如温度与时间)对冶金粉尘金属化率与脱锌率的影响,并借助X射线衍射(XRD)分析方法与电子扫描显微镜-能谱分析仪(SEM-EDS)技术,揭示了温度对物相演变与微观结构的调控机制,进而阐明了碳氢协同作用下的锌铁分离机制。结果表明:含锌物相在碳氢耦合作用下的迁移过程主要分为2个过程,当温度低于锌的沸点(907 ℃),ZnFe₂O₄基本还原为ZnO;当温度高于锌的沸点,ZnO在碳氢的共同作用下,发生ZnO到Zn(g)的物相转变。当还原温度为1 050 ℃、时长为20 min、高炉布袋灰与转炉污泥的碳氧比(C/O)为0.8,且处于H₂∶CO∶CO₂∶N₂=6∶2∶1∶1的还原气氛下,冶金粉尘的金属化率与脱锌率均达到最佳值。此外,由于氢还原含铁氧化物过程中矿相间的膨胀系数不同,导致界面处易产生热应力,从而形成裂缝。随着H₂的不断消耗,渗碳反应加剧,产生更多CO使球核内部蒸气压增大,导致球核破裂,产生大量裂纹。反应的不断进行使裂缝逐渐加深,缝隙的出现促使锌铁氧化物还原反应正向进行。

多流非对称中间包因其几何结构特殊,易导致各流钢液流动特性差异显著,进而影响铸坯质量的一致性。以国内某钢厂现用四流非对称中间包为研究对象,研究了不同导流隔墙与导流孔设计对中间包流场及温度场的影响。首先通过物理模拟对比了不同方案中间包的流场特征参数,指出现用中间包结构(原方案P)的不足,并据此提出优化方案;进一步通过数值模拟分析了优化方案的温度场分布及夹杂物去除效果。物理模拟结果表明,使用优化后的A4方案后,中间包总体平均停留时间较原方案延长53 s,死区比例从原方案的37%降低到28%。其中,1号水口的滞止时间从9 s延长至33 s,短路流现象得以消除,且各流一致性显著提升。数值模拟结果表明,A4方案的流场与温度场分布更加均匀,各流出水口处温差由原方案的6 ℃降低至1 ℃,且对不同尺寸夹杂物去除率均优于原方案。综上所述,通过中间包结构优化可有效提升其冶金功能,为改善铸坯质量均匀性提供了技术依据。

轧制技术的发展离不开强有力的技术支撑,而当前的控制水平已步入关键转折点。基于传统控制理论的控制效果已逼近极限,诸多关键技术难题尚未得到彻底解决。因此,迫切需要引入全新的控制理论与方法,以实现控制性能的跨越式提升。在热轧带钢生产流程中,精轧工序的板厚自动控制(AGC)占据着核心地位,其控制精度的高低直接决定了成品带钢的质量与合格率。针对温度波动对来料出口厚度稳定性的影响,以及传统厚度反馈控制(GM-AGC)存在的正反馈问题,本研究提出了硬度前馈控制策略。本文以鞍钢1700 ASP 生产线为应用对象,计算并分析了负荷分配对各项工艺指标的影响系数;同时基于厚度、轧制力与凸度增量方程,确定了F₃~F₆机架的辊缝调节量。在热轧现场实践中,成功实现了F₃、F₄机架的硬度前馈控制及F₅机架的硬度过补偿控制。此外,在监控AGC系统中引入非线性PID控制策略,该策略的参数整定范围较宽,具备较强的工程实用性。对不同轧制规格的生产数据进行统计分析后发现,实施复合控制策略后,板带厚度精度较原有水平提升约1%,该控制系统具有良好的推广应用前景。

殷钢的低热膨胀性能使其广泛应用于精密仪器、航空航天等领域,但强度有限,限制了进一步发展。在殷钢中加入合金元素并通过固溶、时效析出第二相碳化物可以显著提高其力学性能。固溶作为析出的关键前提,对此过程中碳化物回溶行为的研究尤为重要。本文在殷钢中加入合金元素Nb、Mo、V、Ti,通过扫描电子显微镜(SEM)和超高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)原位观察碳化物的回溶行为并分析其机制。结果表明,Nb-Mo-V-Ti及Nb-Mo-V殷钢盘条中均存在2类碳化物,第一类碳化物颗粒平均尺寸大于5 μm,形成于凝固过程,称为一次碳化物;第二类碳化物平均尺寸在1 μm以下,为从基体中析出的碳化物相,称为二次碳化物。2类碳化物均为各自对应成分的(Nb, Mo, V)C或(Nb, Mo, V, Ti)C复合析出相。热力学及高温共聚焦观察结果表明,一次碳化物的溶解温度在殷钢凝固转变温度附近,故回溶困难;二次碳化物在升温及延长保温时间后能实现基本回溶,并从中发现了Ti对碳化物的回溶具有阻碍作用,使得碳化物具有更高的热稳定性。此外,Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK)方程被用于表征二次碳化物溶解动力学,经过试验验证,该动力学模型能够较好地预测二次碳化物的溶解分数。

铁矿球团矿生产属于高能耗、高排放工业过程,其节能减排是钢铁行业实现“双碳”目标的关键环节。本研究旨在通过高压辊磨预处理与优化配矿的协同作用,在降低球团矿焙烧温度的同时保障产品质量,为钢铁行业绿色转型提供技术支撑。研究采用实验室系统试验方法:首先利用压强为14 MPa的高压辊磨机对6种铁精矿进行预处理,分析该过程对原料粒度、比表面积及成球性能的影响;随后通过圆盘造球机制备生球,并在卧式管状电炉中模拟预热与焙烧过程,探究不同工艺参数对球团强度的作用规律;最后结合扫描电子显微镜分析球团矿的微观结构变化,揭示协同强化机制。研究结果表明,高压辊磨可显著改善铁精矿物理性能,经2次辊磨处理后,混合矿中5 mm粒级数量占比可提升至75.45%,有效增强颗粒表面活性,强化再结晶界面反应,进而提高球团矿强度;同时,2次高压辊磨可将球团焙烧温度由1 200 ℃大幅降至1 110 ℃。在此基础上,通过优化配矿进一步强化球团固结效果,在最优配矿比例(A矿质量分数为5%、C矿质量分数为11%、D矿质量分数为7%)下,球团矿最低焙烧温度可进一步降至1 080 ℃,且抗压强度达到3 189 N/P,远超 2 500 N/P的工业标准。微观分析显示,高压辊磨与优化配矿的协同作用,显著强化了赤铁矿的再结晶与连晶程度,减少了球团内部孔隙和裂纹,大幅提升了结构致密性。本研究明确了高压辊磨与配矿优化的协同机制,并通过实验室数据量化了其对焙烧温度降低与球团强度提升的双重优化效果。

因瓦合金以其极低的线膨胀系数和优异的软磁性能而闻名,已广泛应用于精密光学、微电子、磁屏蔽和航空航天等行业。本文重点介绍超薄因瓦合金带材产品,这类产品对于精密金属掩模版和精密机电元件等高端应用至关重要。文中系统总结了包括电铸、精密冷轧以及后续表面质量强化工艺在内的先进制造技术,并对其制造机制、技术优势和现有局限性进行了比较。此外,本文还全面综述了织构调控、退火参数控制、脉冲电流辅助处理和氢气退火等关键性能优化策略,以阐明因瓦合金带材强化和软磁性能增强的内在机制。研究人员特别关注高纯冶金在确保超薄产品表面无缺陷和尺寸稳定性方面日益增长的重要性,目前其制备技术已成为关键瓶颈。总体而言,精确控制工艺参数、高洁净度冶炼以及多性能协同优化的举措是实现超薄因瓦合金高性能的关键。

针对高炉冶炼过程中K、Na、KF、NaF气体对焦炭劣化的作用机制,本研究采用“气相吸附法”对焦炭进行气体吸附试验,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)等表征技术,系统探究了K、Na、KF、NaF气体对焦炭热态性能及组织结构的影响规律。结果表明,K气体会造成焦炭表面颗粒剥落,Na气体则引发焦炭表面呈粉末状脱落,而KF、NaF气体会显著增加焦炭气孔数量。焦炭吸附K、Na、KF、NaF气体后,其石墨微晶的(002)晶面间距增大,微晶堆积高度与微晶层面尺寸减小,严重破坏微晶结构的有序性与完整性。上述气体对微晶结构的破坏程度排序为:K＞Na＞KF＞NaF。微晶结构变化导致焦炭孔隙率上升,进而提升焦炭反应性(CRI)、降低焦炭反应后强度(CSR)。其中,K和Na气体对孔隙率的影响显著强于KF和NaF气体,且K气体影响大于Na气体,KF气体影响大于NaF。当焦炭吸附质量分数1%的NaF气体时,焦炭热态性能(CRI≤25%,CSR≥65%)仍满足高炉冶炼要求;当吸附质量分数1%的K、Na、KF气体后,CRI和CSR均超出标准限值。综合来看,各类气体对焦炭热态性能的影响程度排序为:K＞Na＞KF＞NaF。此外,随着气体吸附量的增加,CRI增幅与CSR降幅均呈现边际递减趋势。

在全球“双碳”战略的强力推动下,冶金行业的绿色转型迫在眉睫,高炉高比例球团冶炼技术已成为关键研究课题之一。本文聚焦高硅镁熔剂型球团,剖析其研究现状与发展趋势。球团矿在低碳环保方面具有显著优势,其生产能耗低、污染物排放少、铁品位高、粒度均匀且含硫率低,为高炉低碳稳定运行创造了有利条件,有效推动钢铁行业节能减排进程。高硅镁质熔剂性球团特色突出,采用高硅铁矿石可拓宽资源选择范围并降低成本;MgO能改善炉渣流动性,有利于脱硫;熔剂型球团自带熔剂成分,可降低成本并提升生铁质量。然而,在高炉高比例球团冶炼过程中,随着球团矿比例提高,炉料分布呈现明显变化,软熔带特性也发生改变,虽然熔滴性能有所改善,但软熔带温度升高、宽度增大,会干扰煤气流动;渣系受球团矿成分影响显著,硅、镁等脉石元素含量的变化会改变渣系组成与性能,进而影响脱硫效果。综合现有研究,高炉高比例球团冶炼技术虽前景广阔,但仍面临诸多挑战,未来研究应着力优化球团生产工艺、精细调控高炉操作参数并创新炉料结构设计,为钢铁行业可持续发展奠定技术基础,助力“双碳”目标稳步实现。

为了研究离焦量对2 mm厚Q235钢薄板激光焊接接头组织与性能的影响规律,采用金相显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机、显微硬度仪及电化学工作站,对该焊接接头进行了系统表征与分析。试验结果表明,随着离焦量由负值向正值变化,焊缝区与热影响区的宽度逐渐增大;焊接接头的硬度呈现先升高后降低的趋势;自腐蚀电流密度和自腐蚀电位则呈先减小后增大的趋势;抗拉强度平均值同样呈现先升高后降低的变化特征。当离焦量为0 mm时,焊缝区平均硬度达到最大值170.03HV;抗拉强度平均值最高,为299.83 MPa;自腐蚀电流密度最小,为1.39×10^-5 A/cm²,且容抗弧半径最大,表明其耐腐蚀性能最优。

在钢铁工业低碳转型的背景下,转炉高废钢比冶炼面临能耗失衡与渣料成本失控的双重挑战。针对120 t转炉在高废钢比工况下渣料加入量控制不稳定、能耗计算偏差较大的问题,本文通过解析转炉冶炼过程中的热-料-氧耦合关系,阐明了高废钢比条件下熔池热量需求、渣料消耗及热补偿之间的内在关联机制。研究通过数据预处理整合1 200炉次生产关键数据,构建起“机制模型-智能算法”相融合的渣料适宜加入量预测与优化体系。通过皮尔逊相关性分析结合递归特征消除算法,筛选出钢水量、铁水Si含量等8 个关键特征参数,并对反向传播(BP)神经网络、粒子群优化反向传播(PSO-BP)及遗传算法优化反向传播(GA-BP)模型开展对比与优化研究。结果表明,GA-BP模型性能最优,其渣料加入量预测的平均绝对百分误差为0.13%,均方根误差为208.03。该模型已成功应用于生产现场,且预测效果良好,可为转炉高废钢比冶炼的绿色高效生产提供有效的技术支撑。