新材料在线® 《大国之材》原创文章 转载请联系微信：EILIG2014 新材料在线 ID：xincailiaozaixian 图片：受访人提供、图虫创意 “钢铁材料的热点发展方向可以总结为：绿色化、智能化、新产品。” ——上海大学材料科学与工程学院院长 董瀚 近日，工信部等三部门联合印发了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出到2025年，我国的钢铁工业基本形成布局结构合理、资源供应稳定、技术装备先进、质量品牌突出、智能化水平高、全球竞争力强、绿色低碳可持续的高质量发展格局。 钢铁被誉为“工业粮食”，广泛应用于人类社会生产生活的各个领域，是不可或缺的战略性基础工业品。新中国成立时，我国钢铁产量仅居世界第26名。而发展至今日，我国已稳坐世界“产钢大国”位置。 据工业和信息化部发布的数据显示，2021年我国累计粗钢产量10.33亿吨。然而，钢铁产量不再是钢铁工业发展的主要目标。攻克关键材料技术、研发前沿、关键、基础的低碳钢铁材料，助力实现“双碳”目标，既是钢铁工业迈进新阶段的机遇，也是挑战。 针对钢铁行业发展面临的新机遇、新挑战，在由新材料在线®、寻材问料®、有材®、新材料企业家成长营共同举办的《百大名师系列在线课程》上，上海大学材料科学与工程学院院长董瀚作了《钢铁材料：已知与未知》的主题报告。 董瀚教授，现任上海大学材料科学与工程学院院长，钢铁研究总院博士研究生导师。1982年毕业于浙江大学铸造专业，本科毕业后，先后在钢铁研究总院和清华大学获得了金属材料与热处理专业工学硕士和工学博士学位。 曾任钢铁研究总院结构材料研究所所长兼先进钢铁材料技术国家工程研究中心主任、钢铁研究总院副院长。兼任中国稀土行业协会稀土合金分会会长、中国内燃机学会新材料与表面处理专业委员会主任，《特殊钢》、《钢铁研究学报》、《金属学报》等期刊编委等。他从事钢铁科技研发工作近四十年，注重钢铁技术基础研究，包括DIT变形诱导相变，M3组织调控，PMA多形合金化，形成了一系列高性能钢铁材料技术，推动了纯铁、普碳钢、低合金钢、特殊钢的科技进步。授权国家发明专利58件，发表论文468篇，获国家科技进步一等奖一项，国家技术发明二等奖二项，国家科技进步二等奖二项。 01 “三千多岁”的钢铁在与时俱进 “回顾钢铁材料发展历史，可以看出，实际上钢铁材料一直在发展进步。19世纪后半期出现了钢的合金化技术，20世纪初出现了不锈钢，后来还出现了低微合金钢等合金钢技术，钢铁新材料层出不穷。”董瀚表示。 三千多年来，钢铁材料已经深入人们的生产与生活，其应用触及人类生产与生活的各个方面，影响着整个人类的发展进程。 针对钢铁材料在汽车的应用。董瀚表示，钢铁在汽车上的应用尤为广泛，汽车里有上百种钢铁材料，从面板车身，再到发动机、传动、底盘、车轮等，几乎处处都离不开钢铁材料，钢铁材料占汽车的总重量的大约70%。 他表示，当下汽车行业正在寻求轻量化实现路径，钢铁材料面临着众多其他材料的竞争，诸如铝合金、镁合金、工程塑料等。面临竞争，汽车钢的发展非但没有停滞，相反发展地更快了。 钢铁的生产和应用始终在变化中。 02 强度、韧性仍是钢铁性能提升的主要方向 董瀚将钢铁材料的新发展方向总结为高性能、低成本、高效率、近终形、易加工、长寿命、减量化等。而提升其强度与韧性是始终的努力方向。 据了解，近些年来，董瀚团队致力于提升钢铁强度，然而只着重于提高强度并不足应用需求。同样亟待解决的，还有韧性、塑性、抗疲劳性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能等等。 在提高钢铁韧性方面，董瀚带领的团队与相关企业合作，应用M3组织调控理论研制出一种新型高韧性低合金钢，在900MPa屈服级别下，低温韧性突破250J。董瀚团队所研究的这款高强度低合金钢解决了钢材在高强度下的强韧性匹配问题，形成了屈服强度级别700/900/1100/1300MPa系列低合金钢板生产技术，且同强度级别下低温韧性已经达到了世界先进水平。这款高强度低合金钢已应用于特种车辆防爆、建筑设施防爆、工程机械等领域。 据新材料在线®《2021超高强度钢行业研究报告》显示，超高强度钢是在合金结构钢的基础上发展起来的一种高强度、高韧性合金钢，主要用于制造承受高应力的重要构件，是制造国防尖端武器的关键材料，它是为了满足飞机结构上要求强度的材料而研究和开发的。董瀚团队采用多形合金化方法研发出了2400MPa超高强度钢，延伸率不小于10%。努力突破钢铁材料的强度极限。 03 钢铁材料技术突破的关键在于基础研究 “钢铁材料若要持续发展，并不断推出新型钢铁材料，需要科研人员持续进行基础研究。”董瀚介绍道，重视基础研究具体体现在，不仅要重视钢铁合金化研究，还要重点关注生产工艺流程。物理冶金学、化学冶金学、力学冶金学三者需紧密结合，才能真正实现材料突破。 董瀚表示，近年来团队视基础研究为钢铁技术突破的关键，并持续朝着两个目标发展： 一方面，挑战钢铁材料的高强度极限、更高性能。目前，团队已研制出2200MPa、2400MPa级超高强度钢。同时，正在思考如何突破现有的高强度极限，研究钢铁材料的绿色化耐腐蚀技术。 另一方面，探索作为钢铁材料的主元素—纯铁的特征。发达国家始终非常重视纯铁的科研，一方面具有深刻科学意义，另外一方面纯铁是重要的工业材料基础。董瀚团队持续与河北龙凤山铸业进行紧密合作，研发出公斤级高纯铁块和高纯微纳铁粉。高纯铁块作为原料制备高性能合金钢，新型微纳铁粉表面积和活性大，适合用作环境治理的材料。 董瀚指出，未来钢铁材料仍然有非常大的发展空间，众人应当重视并深入基础研究，促进钢铁材料与工艺技术持续发展。 主题演讲结束后，线上观众纷纷提出问题，董瀚耐心地进行了答疑解惑。以下为精选的3个回答： Q1：请问现在钢丝为什么主要都是珠光体钢丝呢，其他丝材有什么发展前景？ 董瀚：细珠光体也被称作为索氏体。细片状珠光体的冷变形能力好，可以不断地冷拔加工将钢丝拔得非常细。通过冷拔加工的位错强化，在实验室中可以实现强度达到7000MPa左右，实际应用中的珠光体钢丝强度可以达到4000MPa。目前，珠光体钢丝外的其他材料较难达到这样的高强度级别。比如，铁素体钢丝在冷拔加工中也可以产生加工硬化，继续冷拔需要退火，前道冷拔工序形成的加工硬化就消失了，不易累积达到超高强度水平。 Q2：高氮奥氏体超高强钢的发展和应用现状如何？ 董瀚：尽管高氮奥氏体不锈钢发展了多年，但是它是个小众产品，国内外在这方面已经有了一些实际应用，例如无磁石油钻铤、电站无磁护环等。高氮奥氏体不锈钢比较特殊，对凝固过程中的控制要求较高，处理不好极易产生大量气泡在次表面赋存，热变形过程中可能会像豆腐渣一样开裂。美国曾将高氮奥氏体不锈钢用作心脏支架材料，也是不错的。高氮不锈钢的特殊用途应该还是不少的，也是需要大家进一步开放。
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