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摘要：介绍了中国、日本、韩国在高强度晶粒细化钢方面的研究现状，阐述了目前在晶粒细化钢方面的前沿理论和控制技术，以及高性能和低成本相统一的先进钢铁材料研究的重要性。随着社会经济的迅速发展以及能源、环保问题的日益突出，实现钢铁材料的高强化、高寿命、低成本将成为今后先进钢铁材料研究的方向，并推进高强度晶粒细化钢的产业化和工程化进程。
关键词：晶粒细化；低成本；高强钢
1.前言
通过控制钢的微合金化、显微组织形态、固态相变和晶粒细化等方法可实现材料综合性能的提高。晶粒细化技术是最有效的提高综合性能的方法。如果将晶粒细化一个数量级，钢铁材料的强度可提高1倍，同时仍然保持良好的塑性和韧性。因此，钢铁材料超细化技术已成为许多工业发达国家竞相研发的重要课题。
工业生产和广泛应用的低合金钢的屈服强度约为400MPa，抗拉强度约为500MPa，晶粒尺寸约为10μm。由于晶粒细化既能提高钢材的强度又能改善钢材的韧性，因此世界各国研究者力争通过对碳素钢和低合金钢进行晶粒细化的研究，即在原成分基础上，通过工艺手段将低合金钢的屈服强度由原有的400MPa级提高到800MPa级[1]。日本、韩国、中国相继启动了高强度细化晶粒钢相关研究项目，取得了不同程度的进展，并确定了将来的研究方向。
2. 高强度晶粒细化钢的理论研究和技术进展
2.1 晶粒细化钢控制轧制理论研究
控制轧制是细化晶粒的最有效手段，该领域科研工作者从控制轧制这一基本理论入手系统研究了不同的控制轧制工艺对晶粒细化的作用机理。
韩国科研工作者主要完成了应变诱导动态相变研究[2]。研究表明，应变必须超过一个临界值时才能发生应变诱导动态相变，否则将发生铁素体动态再结晶。当应变超过临界值时，多道次小变形与单道次大变形同样可以得到超细晶粒铁素体，在多道次变形中，为了得到超细的铁素体晶粒，道次间隔时间非常重要，因为道次间隔时间增长将引起变形能的释放，从而导致应变诱导动态相变铁素体体积分数的降低。结果表明：当钢在Ae3和Ar3之间进行大变形时，发生了应变诱导动态相变，其铁素体晶粒尺寸可以细化到2μm；当钢在Ar3和Ar1双相区进行大变形时，发生了应变诱导动态相变和铁素体动态再结晶，其铁素体晶粒尺寸可细化到1μm；当钢在Ar1温度以下进行大变形时，发生了铁素体动态再结晶，其铁素体晶粒尺寸可细化到0.6μm。
钢铁研究总院董瀚[3]等对变形诱导铁素体相变（DIFT）热力学、温度、变形量等变形参数以及Mn、Nb等合金元素对DIFT的影响规律进行了系统研究。
北京科技大学贺信莱[4]、尚成嘉[5]等进行了贝氏体/马氏体中温转变产物超细化的机理研究，建立了“弛豫-析出-控制相变”（RPC）的理论，利用该技术获得了800MPa级高强度结构钢。弛豫-析出-控制（RPC）相变技术基本原理是：在控轧终轧后充分利用非再结晶区大量变形的高密度位错，适当空冷再加速冷却使位错弛豫，在弛豫过程中形成大量细小的位错胞状结构。通过微合金元素（Nb、Ti、B）在这些微结构上的应变诱导析出，使钢在相变前晶内产生大量相变形核优先位置，促使随后的加速冷却过程中晶内贝氏体在这些位置优先形成。这些优先形成的贝氏体板条把变形奥氏体晶粒分割成许多细小区域，从而限制了后续的相变在这些小区域中进行，最终获得细化的板条贝氏体/马氏体复合组织。
赵明纯[6]等通过对针状铁素体组织的系统研究，形成了“细化针状铁素体组织的三阶段理论”，即对于低碳微合金管线钢在奥氏体再结晶温度区间粗轧后，在奥氏体未再结晶温度Tnr～Ar3的温度区间进行轧制，或进入Ar3以下的γ+a两相区进行轧制，终轧后冷却速度控制在10～30℃/s，终冷温度在400～600℃之间，最终获得超细化的针状铁素体组织结构。
2.2 晶粒细化均匀性控制理论和技术
采用大的塑性应变能够使铁素体晶粒充分细化，但是采用大的塑性应变进行单向变形时，材料在厚度方向变形不均匀，致使应变主要集中于试样的中心部位。Nagai[7]等采用“多向变形”技术制备超细晶铁素体晶粒，其特点是采用双向或多向变形可明显地改善应变分布的不均匀性，从而有利于获得均匀的超细晶组织。
通过大变形生产的厚钢板力学性能的各向异性，特别是某些方向上韧性的降低是人们关注的焦点。Nagai等采用了“大角度交叉轧制”方法以改变材料的结晶取向，使材料在横向和轧向的韧脆转变温度的差异很小。
2.3 晶粒细化钢高效率焊接技术研究
一般抗拉强度超过500MPa的高强度钢主要是通过添加合金成分，形成贝氏体、回火马氏体等高强度钢。但是，随着合金元素的增加，不但提高钢的成本，而且使炼钢和精炼难度加大，更重要的是使焊接性能变差，高强钢焊接接头的疲劳强度仅为60～100MPa（为母材基体强度的10%）。普通C-Si-Mn钢，通过晶粒细化，抗拉强度可大幅提高。工业应用上，超细晶粒钢最重要的问题是HAZ的软化问题，采用传统的焊接方法将由于晶粒粗化引起HAZ软化而导致接头强度降低。
日本相继开发了新型超窄间隙气体保护焊接方法和大功率激光焊接方法[8]，目的是使超细晶组织的破坏极小化，同时使焊接接头性能得到明显的改善。并开发了一种提高疲劳强度的低转变温度型焊丝，有效地阻止焊接裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，从而提高了焊接接头的疲劳强度。韩国主要进行了高氮TiN型钢的研究，在钢中添加氮形成的TiN粒子，利用高热稳定性TiN粒子的钉扎作用，目的是为了阻止细晶粒钢焊接时HAZ奥氏体晶粒的长大。
3. 高强度晶粒细化钢工业化进程
目前，高强度细化晶粒钢的理论研究已趋于成熟，各国科研工作者积极推进实验室研究的成果转化和工业化进程，高强度晶粒细化钢的发展趋势是工程化和产业化应用。 当前生产高强度细化晶粒钢中还存在着一些有待解决的问题： （1）实验室研究成果与实际应用结合不紧密，很多制备工艺在目前的工业化生产中没有相应的设备。实验室制备所得超细晶材料尺寸小、成本高，难以达到钢铁材料低成本、大规模生产的要求；（2）细化晶粒钢焊接技术也只处于实验研究阶段，严重制约了超细晶粒钢的应用范围。因此，确定适宜工业生产的工艺路线，生产出具有高的综合力学性能和良好焊接性能的超细晶粒钢是目前研究的主要方向。我国在高强度晶粒细化钢的研究方面，应立足于我国钢铁企业实际情况，结合现有的条件和设备，不断开发出适合我国工业生产所需的高效、高性能、节能降耗及环保的生产新工艺。
日本启动了 “环境友好型超微细晶粒钢的基础技术研究” 研究项目，应用实验室研究的“多向变形”等成果，尝试批量生产800MPa级超细晶粒钢，通过晶粒细化，在提高钢的强度的同时，降低钢的韧脆转变温度，同时使钢具有优良的抗震性能[9]。
与工程结构技术相联系，提出了用超级钢材料建造“超级钢结构”型的超级大桥，使用寿命大于100年；大桥底梁采用现有钢种工作寿命两倍的、韧脆转变温度低于-97℃的高韧性800MPa级超级钢，其耐腐蚀时间超过100年；同时采用强度大于1800MPa强度级别的超级高强螺栓连接；大幅提高桥梁焊接接头的疲劳寿命，使超级钢在经济建设中实现降低环境污染、节约能源、可循环利用、高安全性和长寿命的目的。
韩国也在积极推进高强度晶粒细化钢的工业化应用进程，不断完善和发展实验室取得的成果，将实验室研究的应变诱导动态相变技术应用到工业生产中，批量进行工业生产和产品应用研究，工业上将C-Mn成分碳素钢的晶粒尺寸细化到1μm，并将工业生产的超细晶粒钢应用到建筑、桥梁、汽车和管线等领域。研制的高氮TiN型钢由于HAZ具有优良的综合性能，将被广泛地应用到需要进行大线能量焊接的船板、沿海结构和建筑结构等领域。
中国根据自身装备水平，将具有自主知识产权的关键技术产业化，解决了工业化生产过程中的关键设备、技术问题，实现低合金钢的工业化生产，形成了一定的生产能力，满足了国民经济的需要，实现强度和寿命翻倍的目标，将进一步推进超细晶粒钢成果的工程化和产业化，实现高性能超细组织结构钢系列低成本制造。
4. 结语
高强度细化晶粒钢的理论研究已趋于成熟，工程化和产业化应用还存在亟待解决的问题，各国科研工作者与钢铁生产企业正在积极进行科研成果转化。随着社会经济的迅速发展以及能源、环保问题的日益突出，采用超细晶强韧化技术，实现钢铁材料的高强化、高寿命、低成本将成为今后先进钢铁材料研究的方向。
参考文献
[1] 宋立秋.800MPa级超细晶粒钢研究现状及发展趋势[J].鄂钢科技，2012
[2] Kot obu Nagai. State-of The- art of 800 MPa St eel Project in Japan.Workshop on New Generation St eel， The Chinese Society for Metals，Beijing， 2001， 8
[3] 董 瀚， 孙新军， 刘清友， 翁宇庆. 变形诱导铁素体相变——现象与理论[J ] . 钢铁，2005 ，38 （10） ：56.
[4] 尚成嘉， 王学敏， 杨善武， 等. 高强度低碳贝氏体钢的工艺与组织细化[J ] . 金属学报，2003 ，39 （10） ：1019.
[5] 尚成嘉， 杨善武， 王学敏， 等. RPC 对800 MPa 低合金高强度钢的影响. 北京科技大学学报， 2002， 24（2） ： 129
[6] 赵明纯， 单以银， 杨 柯， 等. 管线用超低碳钢中针状铁素体的形成及强韧化行为. 材料研究学报， 2002（ 6） ： 619
[7] Nagai K. An Introduct ion of New Organization for Advanced Steel Research at NIMS ，The Sino-Japan Seminar on Advanced Steels， Beijing，2002， 1
[8] Akihiko Ohta， Osamu Watanabe， Kazuaki Mat suoka， et al. Fatigue Strength Improvement of Box Welded Joint s by Using Low Transformation Temperature Welding Material.
[9] Kot obu Nagai. Second Phase of Ultra Steel Project at NIMS . Second Int ernational Conference on Advanced Structural St eels， Shanghai ，2004， 15
[10] ChooWung Yong.First Stage Achievement of HIPERS-21 Project and Plan of Second St age. Second Int ernational Conf erence on Advanced Structural Steels， Shanghai， 2004， 23
关键词：晶粒细化；低成本；高强钢
1.前言
通过控制钢的微合金化、显微组织形态、固态相变和晶粒细化等方法可实现材料综合性能的提高。晶粒细化技术是最有效的提高综合性能的方法。如果将晶粒细化一个数量级，钢铁材料的强度可提高1倍，同时仍然保持良好的塑性和韧性。因此，钢铁材料超细化技术已成为许多工业发达国家竞相研发的重要课题。
工业生产和广泛应用的低合金钢的屈服强度约为400MPa，抗拉强度约为500MPa，晶粒尺寸约为10μm。由于晶粒细化既能提高钢材的强度又能改善钢材的韧性，因此世界各国研究者力争通过对碳素钢和低合金钢进行晶粒细化的研究，即在原成分基础上，通过工艺手段将低合金钢的屈服强度由原有的400MPa级提高到800MPa级[1]。日本、韩国、中国相继启动了高强度细化晶粒钢相关研究项目，取得了不同程度的进展，并确定了将来的研究方向。
2. 高强度晶粒细化钢的理论研究和技术进展
2.1 晶粒细化钢控制轧制理论研究
控制轧制是细化晶粒的最有效手段，该领域科研工作者从控制轧制这一基本理论入手系统研究了不同的控制轧制工艺对晶粒细化的作用机理。
韩国科研工作者主要完成了应变诱导动态相变研究[2]。研究表明，应变必须超过一个临界值时才能发生应变诱导动态相变，否则将发生铁素体动态再结晶。当应变超过临界值时，多道次小变形与单道次大变形同样可以得到超细晶粒铁素体，在多道次变形中，为了得到超细的铁素体晶粒，道次间隔时间非常重要，因为道次间隔时间增长将引起变形能的释放，从而导致应变诱导动态相变铁素体体积分数的降低。结果表明：当钢在Ae3和Ar3之间进行大变形时，发生了应变诱导动态相变，其铁素体晶粒尺寸可以细化到2μm；当钢在Ar3和Ar1双相区进行大变形时，发生了应变诱导动态相变和铁素体动态再结晶，其铁素体晶粒尺寸可细化到1μm；当钢在Ar1温度以下进行大变形时，发生了铁素体动态再结晶，其铁素体晶粒尺寸可细化到0.6μm。
钢铁研究总院董瀚[3]等对变形诱导铁素体相变（DIFT）热力学、温度、变形量等变形参数以及Mn、Nb等合金元素对DIFT的影响规律进行了系统研究。
北京科技大学贺信莱[4]、尚成嘉[5]等进行了贝氏体/马氏体中温转变产物超细化的机理研究，建立了“弛豫-析出-控制相变”（RPC）的理论，利用该技术获得了800MPa级高强度结构钢。弛豫-析出-控制（RPC）相变技术基本原理是：在控轧终轧后充分利用非再结晶区大量变形的高密度位错，适当空冷再加速冷却使位错弛豫，在弛豫过程中形成大量细小的位错胞状结构。通过微合金元素（Nb、Ti、B）在这些微结构上的应变诱导析出，使钢在相变前晶内产生大量相变形核优先位置，促使随后的加速冷却过程中晶内贝氏体在这些位置优先形成。这些优先形成的贝氏体板条把变形奥氏体晶粒分割成许多细小区域，从而限制了后续的相变在这些小区域中进行，最终获得细化的板条贝氏体/马氏体复合组织。
赵明纯[6]等通过对针状铁素体组织的系统研究，形成了“细化针状铁素体组织的三阶段理论”，即对于低碳微合金管线钢在奥氏体再结晶温度区间粗轧后，在奥氏体未再结晶温度Tnr～Ar3的温度区间进行轧制，或进入Ar3以下的γ+a两相区进行轧制，终轧后冷却速度控制在10～30℃/s，终冷温度在400～600℃之间，最终获得超细化的针状铁素体组织结构。
2.2 晶粒细化均匀性控制理论和技术
采用大的塑性应变能够使铁素体晶粒充分细化，但是采用大的塑性应变进行单向变形时，材料在厚度方向变形不均匀，致使应变主要集中于试样的中心部位。Nagai[7]等采用“多向变形”技术制备超细晶铁素体晶粒，其特点是采用双向或多向变形可明显地改善应变分布的不均匀性，从而有利于获得均匀的超细晶组织。
通过大变形生产的厚钢板力学性能的各向异性，特别是某些方向上韧性的降低是人们关注的焦点。Nagai等采用了“大角度交叉轧制”方法以改变材料的结晶取向，使材料在横向和轧向的韧脆转变温度的差异很小。
2.3 晶粒细化钢高效率焊接技术研究
一般抗拉强度超过500MPa的高强度钢主要是通过添加合金成分，形成贝氏体、回火马氏体等高强度钢。但是，随着合金元素的增加，不但提高钢的成本，而且使炼钢和精炼难度加大，更重要的是使焊接性能变差，高强钢焊接接头的疲劳强度仅为60～100MPa（为母材基体强度的10%）。普通C-Si-Mn钢，通过晶粒细化，抗拉强度可大幅提高。工业应用上，超细晶粒钢最重要的问题是HAZ的软化问题，采用传统的焊接方法将由于晶粒粗化引起HAZ软化而导致接头强度降低。
日本相继开发了新型超窄间隙气体保护焊接方法和大功率激光焊接方法[8]，目的是使超细晶组织的破坏极小化，同时使焊接接头性能得到明显的改善。并开发了一种提高疲劳强度的低转变温度型焊丝，有效地阻止焊接裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，从而提高了焊接接头的疲劳强度。韩国主要进行了高氮TiN型钢的研究，在钢中添加氮形成的TiN粒子，利用高热稳定性TiN粒子的钉扎作用，目的是为了阻止细晶粒钢焊接时HAZ奥氏体晶粒的长大。
3. 高强度晶粒细化钢工业化进程
目前，高强度细化晶粒钢的理论研究已趋于成熟，各国科研工作者积极推进实验室研究的成果转化和工业化进程，高强度晶粒细化钢的发展趋势是工程化和产业化应用。 当前生产高强度细化晶粒钢中还存在着一些有待解决的问题： （1）实验室研究成果与实际应用结合不紧密，很多制备工艺在目前的工业化生产中没有相应的设备。实验室制备所得超细晶材料尺寸小、成本高，难以达到钢铁材料低成本、大规模生产的要求；（2）细化晶粒钢焊接技术也只处于实验研究阶段，严重制约了超细晶粒钢的应用范围。因此，确定适宜工业生产的工艺路线，生产出具有高的综合力学性能和良好焊接性能的超细晶粒钢是目前研究的主要方向。我国在高强度晶粒细化钢的研究方面，应立足于我国钢铁企业实际情况，结合现有的条件和设备，不断开发出适合我国工业生产所需的高效、高性能、节能降耗及环保的生产新工艺。
日本启动了 “环境友好型超微细晶粒钢的基础技术研究” 研究项目，应用实验室研究的“多向变形”等成果，尝试批量生产800MPa级超细晶粒钢，通过晶粒细化，在提高钢的强度的同时，降低钢的韧脆转变温度，同时使钢具有优良的抗震性能[9]。
与工程结构技术相联系，提出了用超级钢材料建造“超级钢结构”型的超级大桥，使用寿命大于100年；大桥底梁采用现有钢种工作寿命两倍的、韧脆转变温度低于-97℃的高韧性800MPa级超级钢，其耐腐蚀时间超过100年；同时采用强度大于1800MPa强度级别的超级高强螺栓连接；大幅提高桥梁焊接接头的疲劳寿命，使超级钢在经济建设中实现降低环境污染、节约能源、可循环利用、高安全性和长寿命的目的。
韩国也在积极推进高强度晶粒细化钢的工业化应用进程，不断完善和发展实验室取得的成果，将实验室研究的应变诱导动态相变技术应用到工业生产中，批量进行工业生产和产品应用研究，工业上将C-Mn成分碳素钢的晶粒尺寸细化到1μm，并将工业生产的超细晶粒钢应用到建筑、桥梁、汽车和管线等领域。研制的高氮TiN型钢由于HAZ具有优良的综合性能，将被广泛地应用到需要进行大线能量焊接的船板、沿海结构和建筑结构等领域。
中国根据自身装备水平，将具有自主知识产权的关键技术产业化，解决了工业化生产过程中的关键设备、技术问题，实现低合金钢的工业化生产，形成了一定的生产能力，满足了国民经济的需要，实现强度和寿命翻倍的目标，将进一步推进超细晶粒钢成果的工程化和产业化，实现高性能超细组织结构钢系列低成本制造。
4. 结语
高强度细化晶粒钢的理论研究已趋于成熟，工程化和产业化应用还存在亟待解决的问题，各国科研工作者与钢铁生产企业正在积极进行科研成果转化。随着社会经济的迅速发展以及能源、环保问题的日益突出，采用超细晶强韧化技术，实现钢铁材料的高强化、高寿命、低成本将成为今后先进钢铁材料研究的方向。
参考文献
[1] 宋立秋.800MPa级超细晶粒钢研究现状及发展趋势[J].鄂钢科技，2012
[2] Kot obu Nagai. State-of The- art of 800 MPa St eel Project in Japan.Workshop on New Generation St eel， The Chinese Society for Metals，Beijing， 2001， 8
[3] 董 瀚， 孙新军， 刘清友， 翁宇庆. 变形诱导铁素体相变——现象与理论[J ] . 钢铁，2005 ，38 （10） ：56.
[4] 尚成嘉， 王学敏， 杨善武， 等. 高强度低碳贝氏体钢的工艺与组织细化[J ] . 金属学报，2003 ，39 （10） ：1019.
[5] 尚成嘉， 杨善武， 王学敏， 等. RPC 对800 MPa 低合金高强度钢的影响. 北京科技大学学报， 2002， 24（2） ： 129
[6] 赵明纯， 单以银， 杨 柯， 等. 管线用超低碳钢中针状铁素体的形成及强韧化行为. 材料研究学报， 2002（ 6） ： 619
[7] Nagai K. An Introduct ion of New Organization for Advanced Steel Research at NIMS ，The Sino-Japan Seminar on Advanced Steels， Beijing，2002， 1
[8] Akihiko Ohta， Osamu Watanabe， Kazuaki Mat suoka， et al. Fatigue Strength Improvement of Box Welded Joint s by Using Low Transformation Temperature Welding Material.
[9] Kot obu Nagai. Second Phase of Ultra Steel Project at NIMS . Second Int ernational Conference on Advanced Structural St eels， Shanghai ，2004， 15
[10] ChooWung Yong.First Stage Achievement of HIPERS-21 Project and Plan of Second St age. Second Int ernational Conf erence on Advanced Structural Steels， Shanghai， 2004， 23