尚成嘉 ，李秀程 ，謝振家

（1.北京科技大學鋼鐵共性技術協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100083；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009）

隨著人類對海洋研究和探索進程的不斷加速，一場以海洋開發(fā)為標志的“藍色革命”已經(jīng)悄然興起。鋼鐵材料因其顯著的性價比優(yōu)勢，被廣泛地應用于海洋相關的眾多工程領域，用量遠遠超過其他金屬材料。然而，世界范圍內海域廣闊，環(huán)境及氣候條件多樣，面對極其復雜的海洋環(huán)境，海洋工程裝備需要在波浪、海潮、風暴及流冰等嚴峻的海洋環(huán)境中服役，承受復雜的載荷和嚴酷的腐蝕環(huán)境，因此要求海洋工程用鋼具備高強度、高韌性、低韌脆轉變溫度、抗疲勞、耐腐蝕、抗裂紋擴展及良好的可焊性等眾多特性。不僅如此，從經(jīng)濟角度考慮，當代海洋工程的設計理念對鋼鐵材料提出了更大的挑戰(zhàn)，即減輕整體重量和延長使用壽命。一方面，通過提升強度和降低密度等方式來提高鋼鐵材料的比強度，實現(xiàn)結構減重，有利于降低裝備制造和運行成本；另一方面，要求鋼鐵材料自身兼?zhèn)淠透g性能，減少維護費用，延長服役壽命周期，同時還要保證鋼結構的安全性和可靠性。為了滿足日益增長的海洋工程建設需求，需要不斷推出適應海洋工程需求的新產品，保證新產品性能的穩(wěn)定性；同時還需要對新材料開展全面的服役性能研究，積累服役性能數(shù)據(jù)，確保服役安全。面對品種規(guī)格多、性能要求高、開發(fā)周期短且成本有限的壓力，鋼鐵企業(yè)必須變革當前的研發(fā)模式，建立更為高效的研發(fā)體系。

1 海洋用鋼力學性能方面存在的問題

鋼材的力學性能與成分、工藝、組織密切相關。通過添加和優(yōu)化合金元素以及改進工藝，很多新型的高強度等級鋼鐵產品相繼問世，但是隨著強度級別的提升，性能波動越發(fā)明顯，這不僅會提高鋼結構力學設計的難度，還會在很大程度上形成安全隱患，如何控制工藝，降低強度波動已經(jīng)成為海洋工程用鋼產品的重要需求。

圖1是文獻[1]中統(tǒng)計的高強度鋼強度波動情況，從圖中可以看出，對于450 MPa級的鋼鐵材料而言，其屈服強度分布在420～530 MPa，存在多于100 MPa的波動，最高超過設計屈服應力近20%，平均屈服強度也達到500 MPa以上。雖然強度達到檢驗標準，但是強度的大幅度波動仍可能在某種程度上給鋼結構帶來一些安全隱患。

圖1 屈服強度355、420和450 MPa級別鋼屈服強度波動情況

由于用途特殊以及使用環(huán)境嚴苛，海洋工程用鋼的技術要求相比其它鋼種要嚴格得多，也需要更高的安全設計標準，以及在結構過載情況下盡可能降低事故造成的損失。結構過載時，鋼鐵材料會發(fā)生屈服及塑性形變，不同強度級別的鋼材，在其發(fā)生屈服到斷裂的過程中，所表現(xiàn)出的形變行為是不一樣的。通常情況下，用屈服強度和抗拉強度之比，即屈強比，反映材料從發(fā)生屈服到斷裂的過程。屈強比越低，材料在過載條件下的穩(wěn)定性越好，鋼結構的安全性也就越高。圖2中列出了一系列海洋平臺用鋼的屈強比范圍[2]，從圖中可以看出，隨著屈服強度的升高，屈強比通常也會不斷升高。500 MPa級的鋼材，屈強比一般在0.85左右，而690 MPa級的鋼材，屈強比會升高到0.9以上，甚至達到0.95。

圖2 海洋平臺用鋼不同強度級別屈強比分布情況

最初海洋平臺用鋼主要為345 MPa級別，因此對屈強比的要求一般按照中等強度鋼材的要求進行設定，屈強比的設計為0.7[3]。隨著海工鋼強度的不斷增加，對于高強度鋼屈強比的設計一直是一個研究的重點。從1996年以來，為了起草新的海洋工程用鋼ISO標準，許多學術團體對大于等于500 MPa的高強鋼屈強比限制進行了深入的研究[4]，結論是“根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)表明，屈強比的設計甚至要限制在0.8以下”。

2 海洋用鋼服役安全方面存在的問題

抗疲勞設計是海洋工程結構的重要需求之一，特別是焊接接頭等容易產生高應力集中的部位。對于Q345以下強度級別的鋼，通過設計規(guī)范中已經(jīng)有的S-N曲線，即可進行鋼結構設計。但是對高強度級別鋼材而言，由于氫致開裂敏感性高，所以，其在海洋環(huán)境中的疲勞性能難以確定。一般認為，鋼材屈服強度增加會增加氫致裂紋敏感性，如果鋼結構采用了陰極保護，那么陰極保護過程也會產生氫，從而導致裂紋尖端擴展速率增加，縮短部件疲勞壽命。因此，更加系統(tǒng)深入地認識高強鋼的疲勞行為，進一步準確地預測其壽命是非常必要的。但是由于目前所掌握的數(shù)據(jù)還比較少，不足以指導設計。

腐蝕疲勞也是導致海工結構鋼斷裂的一個主要原因，綜合考慮接頭尺寸、海水環(huán)境和陰極保護過程，可以很好地預測鋼結構的抗疲勞行為。目前，由于高強度鋼的實驗數(shù)據(jù)不足，疲勞設計規(guī)范只能涵蓋屈服強度低于500 MPa級鋼材，對于高于500 MPa級鋼材，則要根據(jù)具體項目和具體材料確定其疲勞設計標準。ISO標準強調，700～800 MPa超高強度鋼在海水中的疲勞強度只能按中等強度鋼設計，因為超高強鋼在海水中更容易產生氫致裂紋；此外，由于陰極保護導致出現(xiàn)析氫現(xiàn)象，也會促進裂紋萌生。因此，在陰極保護條件下，超高強鋼的疲勞性能還需要進行深入研究。

對于屈服強度在550 MPa以上的超高強度海洋工程用鋼，對其氫致裂紋的控制也是一項重要挑戰(zhàn)。由于陰極保護會促進氫致裂紋產生，因此，相關標準規(guī)定了較為嚴格的陰極保護電位。對于存在氫致裂紋風險的鋼材要求做慢拉伸實驗進行評價，屈服強度大于650 MPa的鋼還要評價母材和焊縫的氫致裂紋傾向性。為了減重，海洋平臺對高強度鋼的需求越來越強烈，550～690 MPa高強度鋼廣泛應用在自升式海洋平臺，雖然氫脆并不常見，但是由于固定樁腿平臺不能定期回船塢檢修，因此氫脆的潛在危險更大。一般認為，高強鋼的氫脆敏感性會隨著強度的增加而增加，但是，即使強度級別相同，其氫脆敏感性也會因合金成分、工藝、熱處理制度等不同而有所差異。目前除了強度級別外，還不能較為明確地由鋼材的成分、組織等判定其氫脆敏感性大小，因此，有關高強度級別氫脆問題還有待進行更為系統(tǒng)深入的研究。當然，隨著對氫脆認識的深入以及當代鋼鐵工業(yè)中冶金質量的不斷提升，高強度鋼材的應用領域也必然會得到不斷的拓展。

3 高性能海洋用鋼材料科學與工程基礎

人類對鋼鐵材料的認識與應用由來已久，工業(yè)革命使鋼鐵材料成為了真正的工業(yè)產品。 隨著20世紀初現(xiàn)代物理學的發(fā)展，在原子層次認識鋼鐵材料的顯微結構逐步具備條件,并開展了廣泛的理論與實驗研究。鋼鐵材料已經(jīng)建立了以晶體學為基礎的固溶體、合金相、晶體缺陷、擴散與相變、塑性形變行為、強化、斷裂等一系列理論和模型。在鋼鐵材料研究中所發(fā)現(xiàn)的熱力學與動力學規(guī)律，逐漸與原子甚至電子層次的理論相匹配，特別是鋼鐵材料經(jīng)過100多年的發(fā)展與應用，其合金體系、組織結構類型、影響性質與性能的基本因素已經(jīng)逐步明晰。鋼鐵材料種類繁多，應用領域寬廣，相關理論的豐富程度已經(jīng)使鋼鐵材料具備了根據(jù)性能需求和服役特性進行有目的智慧化設計、生產及服務的階段。

1978年Pickering撰寫了名為 《物理冶金學——鋼的材料設計》專著[5]，通過對各類鋼鐵材料成分-組織-性能之間物理冶金現(xiàn)象和規(guī)律進行總結與提煉[6-9]，闡明了鋼鐵材料已經(jīng)可以根據(jù)物理冶金原理進行設計，即按照材料的基因認識鋼鐵、設計鋼鐵、生產鋼鐵以及應用鋼鐵。

1997年Olsen提出利用計算機手段設計鋼鐵材料的創(chuàng)新概念[10]，建立在現(xiàn)代物理學和工程學基礎之上的多尺度材料設計模型在鋼鐵材料中得到了長足的發(fā)展；以熱力學為基礎積累了大量的相結構數(shù)據(jù)，并發(fā)展形成相應的熱力學軟件，可以用于設計、預測各類平衡態(tài)的相結構；結合動力學理論和相關數(shù)據(jù)，鋼鐵材料中的各類動態(tài)過程也可以模型化描述并指導工藝過程的設計[11]；建立在第一性原理基礎上的理論計算可用于納米析出相的界面結構表征及描述納米尺度析出相的形成與演變過程；介觀尺度的分子動力學和相場理論對于描述缺陷、液-固相變、固-固相變等起到了模型化的作用；基于彈塑性理論的有限元分析則可以建立微觀力學模型和宏觀力學模型，闡述組織與性能之間的關系。

2006年，美國學者提出利用信息學理論、方法和技術將材料中的眾多因素進行有效關聯(lián)的 “材料信息學”概念[12]。所謂材料信息學是將信息學的理論應用于材料科學與工程領域，使我們能夠更高效、更準確地認識材料、選擇材料、研發(fā)材料和發(fā)現(xiàn)新材料，即利用信息學理論和方法建立成分-工藝-組織-性能（性質）多變量之間的聯(lián)系，這種聯(lián)系的建立與傳統(tǒng)意義上用函數(shù)建立唯象理論關系的方法類似，但是在利用材料信息學所建立的聯(lián)系中，包含的變量因素不僅廣泛，而且量化方法也更加科學，所以在計算結果的精準度上有著質的提升。

由此可見，鋼鐵材料基因工程（即物理冶金、化學冶金和力學冶金相關理論）的建立為鋼鐵材料的合金設計、組織設計、工藝設計以及服役行為預測提供了基本條件；借助現(xiàn)代化的實驗表征手段和不斷完善的材料數(shù)據(jù)庫，完全可以實現(xiàn)鋼鐵材料的智慧化研發(fā)與制造。

縱覽鋼鐵材料的發(fā)展歷程，100年前是在材料工程范疇內進行成分、工藝與性能的研究；20世紀40年代開始發(fā)展的物理冶金更關注材料成分工藝對組織的影響，進而形成了材料科學，并于20世紀50、60年代確立成為材料科學與工程學科體系；當今的鋼鐵材料已經(jīng)發(fā)展到了利用鋼鐵材料的基因設計材料的時代，而未來鋼鐵材料的發(fā)展必將進入智慧設計、智慧生產與智慧服務的新時代。關鍵鋼鐵材料的研發(fā)與制造將更緊密地結合重大裝備、重大工程、特殊環(huán)境、特殊工藝、嚴酷競爭的客觀條件，開展材料正向設計，實行材料生產逆向追溯，并建立材料全壽命周期的環(huán)境、資源、能源、經(jīng)濟型、高性能的評價。

4 海洋用鋼智慧化研發(fā)框架

智慧化研發(fā)是指利用現(xiàn)代材料科學既有的知識和原理，材料科學已經(jīng)發(fā)展較完善的理論和模型，以及利用材料信息學對實驗和工業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘三方面智慧結晶，實現(xiàn)對材料合金成分、工藝的系統(tǒng)設計，同時對服役性能進行科學有效的預判。智慧研發(fā)的優(yōu)勢在于對所開發(fā)產品設計過程更精細、更精準，所開發(fā)產品的性能更加穩(wěn)定和可靠。海工鋼智慧制造工藝流程-不同尺度顯微組織-力學性能關系神經(jīng)網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3 海工鋼智慧制造工藝流程-不同尺度顯微組織-力學性能關系神經(jīng)網(wǎng)絡

由圖3可見，海工鋼的智慧制造要以知識和原理、理論和模型、大數(shù)據(jù)為基礎，針對鋼鐵材料的合金成分和冶金工藝流程、材料熱成型、熱處理等精準的技術參數(shù)進行設計、模擬及預測，從偏析、晶粒度、相比例、晶體取向（變體選擇）和多尺度析出等顯微組織角度，控制強度、韌性、塑性、屈強比和韌性（DBTT、DWTT、NDT、Kca）等指標。

合金成分的設計應著重從物理冶金原理出發(fā)[5，13,14]。 為了實現(xiàn)高韌性和易焊接的目的，低碳設計是目前低合金高強度鋼的最基本理念，隨著C含量降低到0.1%以下，高強度鋼的韌性可大幅度提高，同時可保證最佳的焊接性能。從固溶強化角度出發(fā)，低碳合金體系高強鋼強度的提升，最首選的低成本合金元素是Mn，1.0%～2.0%Mn含量已經(jīng)是較常規(guī)成分范圍；其他最常用的置換固溶強化元素有Cr、Mo、Ni等，Cr與Mn有類似的強化作用，并且也比較廉價，Mo、Ni等合金元素有良好的綜合作用，但是合金化成本較高；還可以利用B元素增加淬透性，B-Mo-Cr的協(xié)同作用能夠有效提高厚鋼板的淬透性；此外，為了在低碳合金體系中實現(xiàn)強化，Nb、V、Ti等元素的碳氮化物析出以及Cu析出成為常用的析出強化手段。上述合金成分設計在工業(yè)產品中的應用很大程度上還停留在經(jīng)驗的層面。不過，基于熱力學的定量化表述已經(jīng)可以為合金設計提供一定的理論基礎，而以熱力學數(shù)據(jù)為基礎的“遺傳算法”也已經(jīng)開始應用于合金設計的優(yōu)化。

工藝的設計與實施主要包括煉鋼、連鑄、軋鋼、熱處理等方面。煉鋼過程對微量元素的精準控制在現(xiàn)代煉鋼流程中已經(jīng)運用的相當成熟，對夾雜物的控制也具備相當完備的理論與技術基礎，但是關于夾雜物與海洋用鋼服役性能的針對性、定量化描述還不十分清晰，主要表現(xiàn)在耐腐蝕性和疲勞性能兩個方面，在夾雜物與初期腐蝕及長期腐蝕的關系方面，雖然發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律，還沒有形成完整的理論體系；夾雜物尺寸和分布與疲勞的關系幾乎可以用模型來描述，但是關于海洋環(huán)境的數(shù)據(jù)還十分匱乏?？梢?，煉鋼的質量與高服役安全之間的關系還缺乏科學基礎，在該方面開展大數(shù)據(jù)積累并進行數(shù)據(jù)挖掘是實現(xiàn)未來智慧研發(fā)的可行方向。連鑄質量對力學性能及服役安全性的影響雖然還停留在經(jīng)驗的基礎上，但是在海洋用鋼的技術要求方面已經(jīng)普遍受到關注，并建立了較嚴格的企業(yè)和用戶評價標準，如曼內斯曼標準和RAPP標準。不過這些評價標準的依據(jù)還停留在經(jīng)驗基礎之上，既沒有理論也沒有模型，一般企業(yè)更沒有大數(shù)據(jù)的積累，只有碎片式的認知。因此，建立海洋用鋼的偏析程度對性能和服役安全影響的大數(shù)據(jù)，可以為基于材料信息學的大數(shù)據(jù)分析奠定數(shù)據(jù)基礎。軋鋼和熱處理包括再結晶和相變等多個過程，該方面的物理冶金理論已經(jīng)相當成熟[15]，再結晶和相變理論模型也較完善，可以基于熱力學、動力學建立各種解析式或其他各種模型，析出相也可用多尺度模型加以表述。軋鋼過程的溫度場與應變場的耦合及其對相變的作用以及利用模型加以描述也一直是研究的熱點。

鋼鐵材料成分與工藝決定組織，組織決定性能，這是材料科學認知的基礎，由圖3可以看出，對于不同的產品，合金設計與工藝路線會影響夾雜物、偏析、晶粒度、相結構、析出類型等，按照已經(jīng)建立的鋼鐵材料科學與工程理論，已經(jīng)發(fā)展了Hall-Petch 關系，以及 Cottroll-Petch 關系[16-19]等唯象的晶粒尺寸與強度和韌脆轉變溫度的解析方程。然而，這些表述基本上是在一定的簡化條件下的單變量或少變量的關系，但事實上影響性能和性質的因素眾多并且彼此相互作用，顯然這種簡化處理的方式已經(jīng)不能滿足當今鋼鐵材料研究的需求，如何建立基于成分、工藝、組織、性能的多變量相關性是未來智慧研發(fā)的重要挑戰(zhàn)。

為了建立多變量之間的關聯(lián)，一方面要有足夠的數(shù)據(jù)，另一方面還要建立強關聯(lián)的數(shù)據(jù)結構以保證數(shù)據(jù)利用的真實性和高效性。毋庸置疑，顯微組織結構作為成分/工藝與性能關聯(lián)的重要橋梁，其關鍵作用不可忽視。因此，應著重建立顯微組織定量化、數(shù)字化的描述方法，實現(xiàn)成分、工藝、組織、性能全鏈條數(shù)字化，找到組織與性能的強關聯(lián)基因，以及工藝與組織的理論模型，形成基于知識、模型、大數(shù)據(jù)分析的智慧研發(fā)體系。

智慧研發(fā)體系的最高目標是建立海洋用鋼的基因與知識庫，包括成分設計、工藝設計、性質與服役性能相關的熱力學數(shù)據(jù)庫，數(shù)字化知識庫，演變過程解析模型，挖掘數(shù)據(jù)形成知識的工具，以及基于數(shù)字化知識的智慧引擎。海洋用鋼基因知識庫的建設及完善將會極大地推動智慧研發(fā)進程，加速新產品的研發(fā)速度，縮小研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

5 結語

海洋用鋼對材料的高強度化、高性能穩(wěn)定性、高服役安全性有更高的需求，然而目前材料的性能波動，服役安全數(shù)據(jù)匱乏嚴重制約了海洋用鋼向高強度化的發(fā)展。智慧化研發(fā)是信息時代材料科學發(fā)展的新方向，其中最突出的是基于材料信息學的數(shù)據(jù)分析方法及多變量成分、工藝、組織、性能關系。智慧研發(fā)并不只局限于數(shù)據(jù)分析，材料科學與工程所建立的理論和形成的知識是智慧研發(fā)的重要組成部分，基于材料多尺度計算、高通量表征以及高通量實驗的材料基因與知識庫建設是未來智慧研發(fā)的基礎，智慧研發(fā)體系的建立將極大提高新產品的研發(fā)速度、降低研發(fā)周期，滿足海洋用材的新需求。

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(編輯 田玉婷)

鞍鋼高合金焊絲鋼走出國門

“鞍鋼的產品質量太好了，感謝你們提供的產品。”近日，一外方客戶收到鞍鋼供貨的高合金焊絲鋼后，大加贊賞。

此次鞍鋼供應的高合金焊絲鋼主要用作建筑用鋼的焊接材料。使用該種材料焊接，不僅可以提升焊接效率，還可以有效減小焊接過程中的飛濺率，因具有這樣的特點，該材料備受客戶青睞。

高合金焊絲鋼在生產過程中對鋼種成分要求非常高，具有合金含量高、成分范圍窄、殘余元素要求極為嚴格的特點，試制難度大。為此，鞍鋼集團鋼鐵研究院冶金工藝所攜手鞍鋼股份產品發(fā)展部、煉鋼總廠、線材廠，持續(xù)優(yōu)化轉爐、精煉工藝及連鑄工藝參數(shù)。為確保該鋼種試制成功，課題組加班加點現(xiàn)場跟蹤，并與現(xiàn)場技術人員溝通交流，及時檢測分析。在反復試驗論證之后，提出了一系列有效辦法，解決了一個又一個難題，保證了該鋼種的順利生產。

目前，鞍鋼已成功出口高合金焊絲鋼2000多噸，產品質量穩(wěn)定。