关键钢铁材料的智慧研发路线

从面向2035的新材料强国战略出发,针对现代交通、能源、海洋工程以及重大装备等领域,对其急需的关键钢铁材料在品种、规格、性能、质量、服役安全与寿命等方面均提出了明确的发展目标、应攻克的技术瓶颈和"卡脖子"问题.为适应未来先进钢铁材料的发展,应在钢铁材料知识与理论框架下,充分发挥集成计算材料工程及材料信息学的优势,创建新材料的智慧研发路线,实现中国先进钢铁材料的研发从跟随模仿跨越到基于人工智能创新引领的新高地.     

新型膨胀套管材料研发及其商业前景

20世纪90年代膨胀套管技术的提出,成为了石油天然气钻采领域一次新的革命。2000年我国开始引进该技术,但目前国内外还只是普遍选用一般传统的钢铁材料进行应用,缺乏针对性研发,始终没有在材料研发上取得突破。2014年,北京科技大学尚成嘉教授带领其科研团队,成功开发了一种适宜膨胀套管应用特点的高延伸、高强度钢铁材料,并完成了全面的实验室研究工作,不久前百吨级的工业化试制也已经完成。由于具有低成本、高品质的特性,该项目的产业化研究已经获得国家科技支撑项目的支持,并且几家知名能源公司也都表现出了对该产品的迫切需求。     

高强度低碳贝氏体钢拉伸断口分离现象及机理研究

针对拉伸断口分离问题,对热轧高强度低碳贝氏体钢进行了纵向常规拉伸实验和三主轴方向短试样拉伸实验.结果表明:在纵向和横向取样的拉伸实验中均发生了断口分离现象,分离面均垂直于厚度方向,即平行于轧面.通过对断裂试样分离裂纹的SEM观察发现,分离面具有明显的低塑性解理断裂特征.利用三主轴方向短试样拉伸实验证明了原始钢板在纵向、横向和厚度方向上具有相似的强度和塑性性能.通过有限元模拟的方法,对颈缩过程中侧向拉伸应力的水平进行了估算,发现即使在颈缩程度非常严重时,侧向拉应力仍远小于主拉伸应力.由此提出了拉伸过程中沿厚度方向由塑性到脆性的转变机制,并进一步揭示了断口分离并非意味着钢板沿厚度方向存在性能差异,而是由于贝氏体自身特有的力学性能导致的,是经严重的拉伸塑性形变后织构状态演变、晶界重分布以及三向应力状态出现综合影响的结果.     

工艺因素和组织对高速动车车轮断裂韧性的影响

针对欧洲高速动车使用的DB920车轮进行了工艺实验和实验室实验。结果表明,DB920车轮轮辋部位组织主要为少量铁素体和细珠光体,当组织中的铁素体比例较高且呈网状分布时,在进行断裂韧性评价实验时易出现撕裂状断口,在撕裂带侧面有大量韧窝,断裂韧性值(KQ)较高;相反,当铁素体比例较低时,断面相对平整,断裂方式以沿晶断裂和解理断裂为主,断裂韧性较差。组织分析和有限元模拟分析结果表明:喷水冷却时,轮辋处的冷却速度自踏面向内不断降低,冷速越慢,相变后生成铁素体比例就越高,断裂韧性也就越好。结合连续冷却实验的结果估算,对此成分车轮钢而言,当冷速大于1℃/s时,相变后不能获得足够的铁素体以保证此区域的断裂韧性。     

C-Mn-Cr-Nb系低合金钢抗氢致开裂性能

 研究了一种低C、低Mn、高Cr和高Nb低合金钢经控轧控冷及轧后回火处理后性能与组织的变化,并对试验钢进行了抗氢致开裂(HIC)试验。结果表明：与轧态相比,回火处理后试验钢的力学性能有较大提高,600℃左右回火后屈服强度由轧态519MPa增加到626MPa,抗拉强度由653MPa增加到705MPa,且韧性基本未降低,回火处理后组织仍以针状铁素体为主,回火后M/A岛尺寸减少。此外,轧态与回火态钢均能满足抗HIC试验衡量标准,回火处理后抗HIC性能优异。降低Mn质量分数能显著提高低合金钢抗HIC性能,提高Cr质量分数和Nb质量分数能有效强化低Mn钢的强度。     

低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展

对钢结构而言,诸如海洋平台、船舶、桥梁、建筑和油气管线等,焊接后的性能直接决定了其服役寿命和安全性,重要性不言而喻.在针对焊接相关问题的研究中,焊接热影响区的韧性提升一直是重点和难点.焊接热影响区会经历高达1400℃的高温,从而形成粗大的奥氏体晶粒,如果焊接参数控制不当,不能通过后续冷却过程中的相变细化组织,就会造成韧性的降低.而多道次焊接的情况更为复杂,前一道次形成的粗晶区还会在后续焊接过程中经历二次热循环,从而形成链状M-A,造成韧性的急剧下降.本文旨在对一些现有焊接热影响区的相关研究结果进行总结,探讨母材的成分、第二相及焊接工艺等因素对热影响区微观组织和性能的影响,为低温环境服役的大型钢结构的焊接性能改善提供一些设计思路.      

铁素体-贝氏体/马氏体双相钢中界面的定量化晶体学表征

利用两相区轧制以及增加轧制后弛豫时间的方法,获得了具有不同铁素体-贝氏体/马氏体比例的双相显微组织实验用钢样品。通过对2种实验用钢的EBSD表征发现,对铁素体间的界面和铁素体与贝氏体/马氏体之间的界面而言,如果界面具有较大的整体取向差,则通常也具有较大的解理面取向差和滑移面取向差;但是如果贝氏体和马氏体内部变体间的界面具有较大的整体取向差,则通常也具有较大的解理面取向差,但并不一定具有较大的滑移面取向差,这种现象在马氏体组织中更为显著。双相钢的塑韧性不仅受到两相比例影响,还受两相晶粒细化程度的影响,所以要提高其综合力学性能,需要从有效滑移单元和有效解理单元2个方面对双相组织分别进行细化。     

高性能海洋用钢智慧研发之二——钢铁材料基因与显微组织数字化表征

材料基因的识别及显微结构的数字化表征在科技创新、工业制造以及国家安全建设等方面的作用尤为重要。基因结构数据的高质量提取不但关系到重大工程的服役安全,也关系到材料智慧设计及产品终端质量与成本。如何高质量、高效率地提取和分析材料大数据已成为当前制约新材料智慧研发的关键。综合分析数字化时代下材料研发的特点及今后发展方向,针对材料基因库的构建提出了可视化及数字化表征的方法,建立了材料微观基因结构与宏观力学性能的数字化关联。     

高性能海洋工程用钢的智慧研发之一

简要论述了海洋工程用钢铁材料的性能特点及发展方向,指出了目前海工钢产品在研发、生产、服役过程中存在的部分问题和不足。通过对钢铁材料研究现状的分析,提出基于钢铁材料基因组工程建立成分、工艺、组织及性能之间的内在联系,进而利用大数据建设建立定量化关系实现海工钢智慧化的有效研发。     

基于机器学习的石油装备用大截面高强韧马氏体钢智能设计与性能研究

为了满足超深层油气资源开发需求,针对石油装备用强度等级最高的低碳马氏体钢,结合成分性能大数据,基于四种不同机器学习方法分别建立了大截面高强韧低碳马氏体钢成分强度和成分硬度预测模型,分析表明,神经元层数为4、层深为64的人工神经网络模型的性能预测精度和拟合程度最好。采用遗传算法对材料成分进行智能最优化设计,获得CrNiMo和SiMnCrNiMo两种材料系中屈服强度大于1100 MPa、硬度大于42HRC、碳含量小于0.22%的最优成分,材料的端淬硬度分布曲线与预测值基本一致,最大误差小于3HRC。依据优化设计成分进行多批次产品生产制造后结果表明,150 mm直径的构件全截面获得95%以上的细小针状马氏体组织,屈服强度大于1100 MPa,低温冲击吸收能大于45 J,满足服役性能要求,预测结果与生产实验结果具有较高的一致性。将材料大数据与机器学习相结合实现了材料的智能化设计开发,为高性能材料的开发提供了新途径。