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国家科学技术进步奖推荐书-中国钢铁工业协会
日期:2019-10-02   来源:   作者:匡国友   

  提名2018年度国家技术发明奖项目公示 一、项目名称 基于M 组织调控的钢铁材料基础理论研究与高性能钢技术二、提名者及提名意见 中国钢铁工业协会通讯地址 北京市东城区东四西大街46 邮政编码100711 联系电话 电子邮箱 提名意见: 探究钢铁材料的强度、塑性、韧性的本源,找出经济的改善方向,寻找和开 发实现的技术途径,是钢铁工业不变的追求,也是材料领域的重大科学问题。 973、863、NSFC等多项国家科技项目支持下,历经 10 余年取得多项理论 与开创性技术成果,首次提出了“多相(Multiphase)、亚稳(Metastable)和多尺 度(Multiscale)”M 组织性能调控理论,解决了困扰钢铁材料领域多年的强度提高带来韧塑性下降的科学问题;依据该理论发明了高强高塑第三代汽车钢技术、低 成本高性能温成形技术、高强高塑低合金钢技术、高强高韧低合金钢技术。 该项目的技术发明已在鞍钢、太钢、沙钢、济钢等多家企业成功应用,生产 高性能钢材 110 多万吨,实现经济效益 750 多亿元,为汽车、建筑、管线、桥梁 等领域提供了更经济的高品质钢材,实现了量大面广的汽车钢和低合金钢韧塑性 大幅度提高,第三代汽车钢成为汽车行业《节能与新能源汽车技术路线图》的发 展方向。 该项目达国际领先水平,获授权发明专利31 件、出版专著2 部,发表论文236 篇(单篇论文最高引用达180 该项目理论成果及其技术发明思路,引领了国际钢铁材料高性能化研究方向,使我国钢铁材料基础研究从跟跑变成领跑;有效指导了其它钢类低成本高性能化 生产,促进节能减排与产业结构调整,社会、经济和环境效益显著,应用前景广 该项目内容真实、符合填报要求,申报经相关方协商,完成人排序无异议,我会已按要求公示无异议。 特提名国家技术发明二等奖。 三、项目简介 针对汽车、建筑、管线、桥梁等庞大领域用钢日益增长的轻量化、易加工、 安全性迫切需求,本项目开展了旨在提高高强度钢塑性和韧性的组织调控理论和 技术基础研究。重点针对量大面广的汽车钢和低合金钢开展研究工作。在973、863、 NSFC 10余项国家科技项目支持下,历经 10 余年完成,取得了多项理论与技术 开创性成果。 针对钢铁材料的强度与塑韧性倒置的难题,项目创新提出了“多相 (Multiphase)、亚稳(Metastable)和多尺度(Multiscale)”M 组织性能调控理论,实现了基体组织由传统的 BCC 结构到 BCC+FCC 结构的组合;由材料制备的亚稳组 织到全过程的热力学亚稳组织调控;由传统微米级尺度到10 -5 -10 -8 范围多尺度组织调控。采用 组织抑制材料变形与断裂过程中裂纹的形核与扩展,实现钢铁材料强度、塑性和韧性有效调控。 开创性地提出中锰亚稳超细奥氏体提升强塑积的第三代汽车钢技术路线,通 过中锰合金化和逆相变热处理工艺,获得了含大量亚稳奥氏体的亚微米多相组织, 实现了抗拉强度 600-1500MPa 和强塑积不小于 30GPa%的中锰第三代汽车钢,强塑 积较第一代汽车钢翻番。第三代汽车钢中的亚稳奥氏体含量、尺寸及稳定性的调 控是获得高强塑积的关键。首次实现了中锰第三汽车钢的工业化生产与零件制造, 引领国内外中锰汽车钢的研发与生产。基于中锰钢低临界温度和高淬透性的特点, 自主创新了高性能低成本的 1500MPa 级温成形技术,汽车零件成形加热温度降低 150,节约能源、提高零件表面质量,塑性提高 30%,实现了超大超薄(3385mm 1475mm1.8mm)超高强度汽车零件的生产,形成了我国具有自主知识产权的可 替代热成形钢的新型超高强度钢零件成形技术。 提出了奥氏体硬化促进板条块细化的低合金钢强韧化组织调控技术,采用超 低碳成分设计和控轧-在线淬火工艺,获得多尺度超细马氏体组织,工业生产出屈 服强度 900-1000MPa 级、冲击韧性达到 200J 以上(-40的 型缺口试样)的高强高韧易焊接低合金钢板,较传统低合金钢实现了韧性翻番。基于层片组织多尺 度强韧化思路,创新提出锰铝合金化设计和双相区轧制技术,采用高温两相区形 变获得铁素体与马氏体相间的双相层状钢,获得抗拉强度达到1500MPa,冲击韧性 不低于200J(-40的V 型缺口试样)的板材。通过亚稳奥氏体相变与析出的多阶 段组织调控,在低合金钢中获得了针状铁素体、少量奥氏体与细小弥散析出的 组织,利用多相间变形协调机制,实现了高均匀塑性、低屈强比的性能调控,在屈服强度500-700MPa 管线钢和桥梁钢中调控屈强比不大于0.85,均匀延伸率不小 于7%。 项目获得国家发明专利31 件,发表论文236 篇,出版专著 组织调控理论在生产中得到充分验证,在鞍钢、太钢、沙钢、济钢等多家钢企和多个用钢 企业得到应用,为我国钢铁工业的高品质钢的创新发展奠定了坚实的理论与技术 基础。 四、客观评价 1、中国金属学会评价意见 2017 年11 月17 日,中国金属学会在北京组织召开“基于M 组织调控的钢铁材料基础理论研究与高性能钢技术”科技成果评价会。著名冶金学家干勇院士担 任组长,评价意见如下: 该项目针对汽车、建筑、管线、桥梁等领域用钢的日益增长的高安全性要求, 开展了高性能钢组织调控理论和技术基础研究。提出了 组织调控理论,并在该理论指导下,发明了高强度、高塑性的第三代汽车钢技术和高强度、高塑性/高韧 性的低合金钢技术。主要创新点如下: 组织调控理论,有效地解决了强度提高导致塑性和韧性下降的材料科学问题,为我国能源、交通、建筑、海工等领域高品质钢的创新 发展奠定了坚实的理论基础。 开创性地发展了第三代中锰汽车钢的高强塑积机制,在抗拉强度为600-1500MPa范围内的强塑积不小于30GPa%,实现强塑积翻番,创新研发出1500MPa 级温成形零件技术,均实现了工业化生产。 开创性地发展了低合金钢组织调控理论和高温动态纳米强化理论,形成了层片强韧化的新型强韧化手段,屈服强度为900-1500MPa 级低合金钢-40的V 冲击韧性达到200J;并实现了屈服强度500-700MPa级低屈强比、高均匀塑性、高 服役安全的低合金钢和屈服强度420MPa 级低成本耐火抗震钢的工业化生产。 该项成果达到国际领先水平。 2、查新报告意见 冶金工业信息标准研究院对本项目的查新报告结论如下: 在查阅到的中文文献中,可见含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺、一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法、一种低碳 低合金高强钢的热处理方法等专利文献报道,其中文献为本项目组申报的专利; 还可见高性能汽车钢组织性能特点及未来研发方向、高性能钢的 组织调控理论与技术、高强塑积热变形淬火碳分配钢的研究等文献报道,其中文献[27-42、53-54] 为本项目组发表的文章;但除本项目组的研究成果外,未见与本项目查新点完全 相同的国内文献报道; 在查阅到的西文文献中,可见一种高强高韧度汽车用薄钢板、第三代先进低合金高强度钢等专利文献;还可见通过 结构控制提高钢的性能、超高强度和高韧性的第三代汽车钢板、亚稳残留奥氏体中锰钢的微观结构与性能之间的 联系等文献报道,其中文献[64-83]为本项目组发表的文章;但除本项目组的研究 成果外,未见与本项目查新点完全相同的国外文献报道; 组织调控理论。2)提出超大亚稳奥氏体控制理论及高强塑积机制,将中锰合金化钢作为第三 代汽车钢,通过逆相变(临界区退火)退火得到了超细晶粒铁素体+奥氏体组织, 获得高强度、高塑性的力学性能,在抗拉强度为600-1500MPa 范围内的强塑积(抗 拉强度断后伸长率)不小于30GPa%,并实现了工业化生产;针对淬火配分钢提出 了利用马氏体相变组织不均匀性控制残余奥氏体量的观点,据此利用淬火配分工 艺获得强度大于1500MPa,强塑积不小于30GPa%的拉伸力学性能。 3)提出超薄扁平奥氏体轧制技术及强韧化机制,实现厚度达到5 微米的超薄 奥氏体轧制技术,1000MPa 级钢的低温韧性达到 200J;突破了超细晶是同时提高 强度和韧性的唯一组织调控手段的结论,形成了层片强韧化的新型强韧化手段, 双相超薄层片钢的强韧化研究使钢材强度达到 1500MPa 的情况下, -40的 缺口冲击韧性可达到200J。4)针对耐火建筑用钢提出高温动态纳米强化理论,形成室温 420MPa 屈服强 度和600两小时内屈服强度不低于280MPa 的智能建筑钢产品技术。 本次查新检索,未见与其完全相同的国内外文献公开报道。 3、本项目近年曾获重要科技奖励情况 2017 年,本项目获得中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖一等 4、论文引证及出版物经教育部科技查新工作站检索,钢铁研究总院曹文全、孙新军、董瀚等发表 的一篇论文Enhanced work-hardening behavior mechanicalproperties ultrafine-grainedsteels large-fractionedmetastable austenite,被 SCIE 数据库录用,该文献在 Web Science平台所有数据库中被除作者及合作 者以外其他人的引用次数为117 次。王存宇、曹文全、董瀚等发表在《金属学报》 的论文“Q&P 工艺处理低碳CrNi3Si2MoV 钢马氏体的研究”入选中国科学技术信息 研究所主办的“领跑者5000——中国精品科技期刊顶尖学术论文”。 出版了专著 部:YuqingWeng, Han Dong, Yong Gan, Advanced Steels, Metallurgical Industry Press, 2011;Proceedings stInternational Conference AutomobileSteel rdInternational Conference HighManganese Steels,Metallurgical Industry Press,2016。 五、推广应用情况 组织调控理论及技术在第三代汽车钢原型钢中得到应用,自2010 钢利用传统流程和装备多次生产第三代汽车钢,工业产品强塑积可达30GPa%。用 第三代汽车钢制作的卡车元宝梁在实现减重 16.7%的情况下提高了零件的强度和 刚度水平,整体式桥壳由原来的6 个零件拼焊成形变为一个零件的一次冲压成形, 充分展示了高强度、高塑性第三代汽车钢的优势。第三代汽车钢在一汽、北汽、 长城汽车等汽车厂都进行了批量试制并通过相应的台架试验。 组织调控理论在沙钢得到应用,成功开发出550MPa级抗大变形X80 管线钢, 分别供货到渤海石油装备公司巨龙钢管、宝鸡石油钢管公司宝石顺钢管。屈服强 度实现平稳控制,抗拉强度在700MPa 左右,屈强比低于0.8,均匀延伸大于10%, 同时具有优良的低温冲击韧性和DWTT 性能(-80的低温冲击值大于200J)。管厂 应用后表明,制管冷加工后屈服强度平均增加只有20MPa,抗拉强度反而增加明显, 达到40MPa,特别有利于对钢管屈强比的控制,表现出优良的抗制管应变性能,能 够根本解决高钢级管线钢应变时效敏感性问题。 2016 年在成都建设了一座民用钢结构住宅示范,钢结构采用了 组织调控理论开发高强度建筑钢,提高了住房的抗震、耐候、耐火性能。 该项目的技术发明已在鞍钢、太钢、沙钢、济钢等多家企业成功应用,生产 高性能钢材 110 多万吨,实现经济效益 750 多亿元,为汽车、建筑、管线、桥梁 等领域提供了更经济的高品质钢材,第三代汽车钢成为汽车行业《节能与新能源 汽车技术路线图》的发展方向。 六、主要知识产权证明目录 知识产 权类别 知识产权具体 名称 国家 授权号 授权 日期 证书 编号 权利 发明人发明专 利有效 状态 发明专 利权 高效率低能耗 高质量的钢板 温成形零件的 生产方法 中国 ZL 2011 0041545.32012 -11- 14 1079 341 有效发明专 利权 一种层片状双 相高强高韧钢 及其制备方法 中国 ZL 2013 0150457.62016 -10- 2255682 有效发明专 利权 一种低成本高 强塑积汽车用 钢及其制备方 中国ZL 2009 0091129.72009 -8-1 732570 有效发明专 利权 一种适用于连 续退火工艺高 强塑积汽车钢 板的生产方法 中国 ZL 2011 0005359.42013 -02- 06 1132 838 有效发明专 利权 一种中温形变 纳米奥氏体增 强增塑钢及其 制备方法 中国 ZL 2012 0573184.12016 -04- 27 2049 011 有效发明专 利权 相变韧化低合 金钢板及其制 备方法 中国 ZL 2012 0518442.62016 -03- 02 1972 183 总院孙新军,王长 有效发明专 利权 一种低屈强 比、高强度汽 车用双相钢板 的生产方法 中国 ZL 2013 0507894.92015 -04- 29 1649 084 有效发明专 利权 900MPa级超高韧性低 合金钢及其制 造方法 中国 ZL 2012 0147571.92014 -03- 26 1368 245 公司周平,孙新军, 有效发明专 利权 同时获得逆转 奥氏体和纳米 析出的低合金 钢的制备方法 中国 ZL 2012 0500212.72014 -09- 17 1485 072 有效发明专 利权 一种超高强度 热成型马氏体 中国ZL 2008 0112022.12010 -09- 29 6796 96 有效七、主要完成人情况表 中国工作单位 钢铁研究总院 行政职务 副院长 二级单位 中共党员完成单位 钢铁研究总院 北京单位性质 转制型国企 参加本项目的起止时间 2007 年01 月01 日至2017 年12 月31 对本项目技术创造性贡献:提出了“多相、亚稳、多尺度”的 组织调控理论,该理论奠定了第三代汽车钢、低合金钢和第三代马氏体耐热钢的技术基础。经过了实验室研究和先进工业流程生产试制,形成了三 类原型钢技术,高韧性和高塑性低合金钢为我国的创新研究成果,第三代汽车钢为我国率先研 发出来并实现工业生产。 中国工作单位 钢铁研究总院 行政职务 中共党员完成单位 钢铁研究总院 北京单位性质 转制型国企 参加本项目的起止时间 2007 年01 月01 日至2017 年12 月31 对本项目技术创造性贡献:领导与参加了项目设计和研究方向制定,对“多相、亚稳、多尺度”高性能钢基础理论研 究与原型钢类的遴选起到了不可或缺的作用。指导了项目组中主要研究人员工作。领导和参加 了第三代汽车钢的亚稳奥氏体控制机制研究,对第三代汽车钢研发起到了重要的作用;参加了 低合金钢的研发工作。 中国工作单位 钢铁研究总院 行政职务 首席专家 二级单位 特殊钢研究所 群众完成单位 钢铁研究总院 北京单位性质 转制型国企 参加本项目的起止时间 2008 年01 月01 日至2017 年12 月31 对本项目技术创造性贡献:在“多相、亚稳、多尺度”的 组织调控理论指导下,利用中锰钢进行微观组织调控,开发出具有高强度高塑性的第三代汽车钢原型钢,并进行了深入的微观组织表征,建立了微观组 织与力学性能之间的关系。利用 组织调控理论开发了具有层片状特征的高强度超高韧性钢。发表多篇高水平学术论文。 孙新军性别 中国工作单位 钢铁研究总院 行政职务 首席专家 二级单位 工程用钢研究所 中共党员完成单位 钢铁研究总院 北京单位性质 转制型国企 参加本项目的起止时间 2007 年01 月01 日至2017 年12 月31 对本项目技术创造性贡献:提出 “形变促进板条块细化”新概念,开发了以板条块细化为核心的高强高韧钢“控轧+ 在线淬火”控制技术,与钢企合作开发出屈服强度900MPa 高强高韧钢板,降低了生产成本,且 钢板的冲击功Akv(-40)大于200J,与相同强度级别传统调质钢板相比,实现了韧性翻番。研 究发现钢基体中微米级块状奥氏体有利于提高钢的塑性,而弥散分布的亚微米/纳米级片状奥氏 体有利于提高钢的低温韧性。提出以亚微米/纳米级亚稳奥氏体调控为核心的DQ-L-T 工艺。 中国工作单位 钢铁研究总院 行政职务 二级单位华东分院 中共党员完成单位 钢铁研究总院 北京单位性质 转制型国企 参加本项目的起止时间 2007 年01 月01 日至2017 年12 月31 对本项目技术创造性贡献:在“多相、亚稳、多尺度”的 组织调控理论指导下,提出了利用马氏体相变组织不均匀现象控制残留奥氏体量的新观点,利用正相变思路基于低合金钢开发出 1500MPa 拉强度和断后伸长率乘积)不小于30GPa%的高强高塑马奥组织钢。在中锰第三代汽车钢工业化过程中,系统开展了工业生产条件下钢组织调控研究、成形、服役性能等的研究,为第三代汽 车钢批量生产提供了理论和技术支持。2010 年发表在MSEA 上的学术论文被引用90 次,2011 中国工作单位 北京科技大学 行政职务 二级单位钢铁共性技术协同创新中心 中共党员完成单位 北京科技大学 北京单位性质 高等院校 参加本项目的起止时间 2010 年01 月01 日至2017 年12 月31 对本项目技术创造性贡献:参加 低合金钢组织调控技术方案制定与实施。开展物理冶金学机理研究,形成了低合金钢中 多相、亚稳奥氏体、多尺度析出的有效定量的调控技术,发展了高强高塑低合金原型钢。 八、完成人合作关系说明 该项目六位完成人 2007-2017 年先后共同承担并完成了多项国家重大科研项 目等,合作发表多篇论文与发明专利。完成人在项目中相互构成了理论研究、技 术研发、材料生产应用的合作框架关系。第一完成人董瀚构建了 理论与整体研究方案,促进“理论—实验室—工业生产”验证的实现;第二完成人翁宇庆参加 了该项目总体设计和研究方向制定,对 组织调控的基础理论研究与代表性钢类实践的遴选起到了关键作用;第三完成人曹文全主要负责 1000MPa 级第三代汽车 钢的强塑化理论及原型钢研究;第四完成人孙新军负责低合金钢强韧化机理和技 术研究;第五完成人王存宇负责1500MPa 级第三代汽车钢组织调控和强塑化机理, 以及中锰第三代汽车钢工业化技术研究;第六完成人谢振家参加了低合金钢组织 调控技术方案的制定与实施,促进物理冶金学基础研究及原型钢应用技术研究。

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