我国2006年的钢产量将超过4亿t，为欧盟、日、美等产钢大国的总和，同时将成为钢材净出口国，堪称超级产钢大国。但不足的是技术较差，突出表现在不少高性能钢材还依赖进口。为了尽快由大变强，本文介绍日本高性能钢材的10年技术进步概况以供有关参考。

　　一、日本高性能钢材的基础技术开发

　　日本从上世纪70年代初即成为钢产量超亿吨和出口比大于30％的世界钢铁强国，石油危机后虽产量停滞不升，但为提高出口竞争力，仍十分重视高性能钢材的技术开发。特别是从90年代中起，更把开发高性能钢材作为促进社会节能、减排CO2和实施可持续发展的重要措施，在政府主导和产学研结合下，进行了通过晶粒微细化并在不增加合金下将钢材强度提高一倍的超级金属技术等项目的开发，其成果尤为明显。

　　1．晶粒细化

　　经过多年基础研究发现，采取相变、析出、再结晶结合的加工热处理方式将金属晶粒微细化到1μm左右时，钢材强度和韧性约可提高一倍，这样不仅有利于大量节约铁合金，还有利于废钢的合理循环利用。以低碳钢为例，晶粒微细化应作好以下几点：（a）奥氏体用母相晶粒的微细化；（b）从加工母相状态的变态；（c）晶粒生成处杂质析出的分散化；（d）增大冷却速度。常用的加工热处理的控轧快冷（TMCP）即利用了其中a、b和d三点，焊接热影响部和机械结构用非调质钢通过组织微细化以改善韧性时则利用了c点。在研究中还发现了贝氏体扩散变态和奥氏体逆变态等微细化组织形成原理及仅对钢板表面组织微细化亦可提高特性和马氏体钢通过强化铁碳化物析出的微细化等方式。

　　2．组织和机械特性的关系

　　经多年研究和初步应用成果，以0．15％C的低碳细晶粒钢的性能为例简介如下：

　　1）屈服强度对晶粒径的依存性。按Hall－Petca关系式，工业纯铁和低碳钢等铁素体系钢铁材料的屈服强度σy与粒径d的关系如下式：

　　σy〔GPa〕＝σ0＋0．6×d〔μm〕1／2

　　（1）但此式只适用于晶粒完全为等轴形且结晶方位为随机型多结晶形铁的场合，加上过去细粒化的极限为10μm，故对提高强度的作用不大，现随着晶粒微细化到0．1μm，则其作用明显。单晶硬度HV0和HV的关系式如下（HV的极限为12GPa）：HV〔GPa〕＝HV0＋1．8×d〔μm〕－1／2

　　（2）延性／脆性迁移温度对粒径的依存性。反映材料破坏现象的延性／脆性迁移温度（DBTT）一般多随强度提高而向高温侧移动，但0．15％C的低碳钢由于粒径微细化而使强度提高时，

　　DBTT却向低温侧移动，其关系式如下：

　　DBTT〔℃〕＝10－240×d〔μm〕－1／2

　　（3）即粒径微细化到1μm时，在液氮温度下亦不脆化，在实用中当低碳钢粒径微细化到2～3μm时便可保证低温韧性。其机理为屈服强度和脆性破坏强度对粒径的依存度以后者为大，故为确保材料韧性时，晶粒微细化成为不可少的重要因素。

　　二、高性能钢材的应用技术进步

　　1．薄板

　　最近10年各钢铁厂主要为汽车轻型化节油而进行了高强度钢板的开发。据调查，外板已达490MPa，结构部件达980MPa，回转部件达780MPa，对补强材正在按1760MPa的目标开发。

　　1）外板用钢板。在为减轻车重而减少板厚的同时，为保证提高耐冲撞性需提高屈服强度YP。但提高YP后，加工面易产生缺陷，据此开发出加工时低YP，通过涂装烧副处理使钢中的固溶C、N分散转位为高YP化的BH钢板。近日又在BH钢中加入0．25％Mo，通过在大气温时效区C和Mo的相互作用使其性能进一步改善。另开发出2种440MPa钢板。一种为IF钢中适量加入P、Mn、Si等固溶强化元素，使n值为0．24、r值为2的成形性优良的钢板。另一种为加入固溶强化元素的同时，使含C量为IF的钢的3倍并加入0．1％Nb，使组织微细化和微细析出NbC提高强度，并有利抑制表面缺陷。

　　2）中高强度区成形性好的高强度钢板。它主要用于防冲击安全构件和扩孔性好的回转部件，故为具备两种特性而进行必要的组织控制。延伸性优的为DP钢和残留奥氏体钢（TRIP钢），前者已应用20余年，现正按780～980MPa下成形性好而正在改进。

　　TRIP钢则作为全球开发的对象而采取以下技术：（a）加入Ni、Cu等新合金元素以控制钢板表面的界面反应，并为热镀锌工艺保留必要的残留奥氏体和含C量，从而成为耐蚀性好的热镀锌板用钢，现已实用化；（b）通过铁素体变态、贝氏体变态和奥氏体中C的浓化及奥氏体和贝氏体中渗碳体的析出模拟，计算出残留奥氏体和其中含C量及对TRIP钢的材质预测技术亦实用化；（c）母相为贝氏体或回火马氏体和残留奥氏体分散的TRIP钢，由于延伸－扩孔性俱优而正在研发；（d）低r值但深冲性优的TRIP钢亦在开发；（e）对TRIP钢冲击特性和疲劳特性等的改进在研究中。

　　3）最近延伸性超过TRIP钢的高强度钢也正在开发，主要是加入25％Mn使组织奥氏体化，在变形时引发加工诱起双晶，产生和TRIP钢同样提高延伸率的效果，在600MPa下全延伸率可达90％，另将Mn减少到20％和15％并加入各3％的Al和Si时，则在性能相同下可进一步轻型化。另在开发中的延性－扩孔性俱优的高强度钢板，以延性优的铁素体为母相，为确保强质和防止扩孔性劣化而采取了析出强化。热轧薄板加入Ti、Mo后可达780MPa，IF钢板加入Cu后可达590MPa，均达预期目标。

　　4）超高强度区用补强材等的开发。980MPa超高强度钢的冲压加工部件多用弯曲加工，致弯曲加工性甚为重要，据此开发出组织均匀的超高强度钢。为适应更复杂形状部件用超高强度钢的要求，DP系延性重视型和延性－扩孔性俱佳型钢板亦通过高度组织控制达到了实用化水平。

　　最近为简化工艺，对超高强度部件采用热冲压加工的日多。即将钢板在变态点以上加热，冲压加工时通过模具的降温而淬火以提高强度。另为提高热冲压部件的耐蚀性，又开发出用热镀铝钢板热冲压加工的技术，效果良好。

　　2．中厚钢板

　　1）造船用钢板。从上世纪80年代起即率先应用了TMCP钢以扩大高强度钢板的应用，近年则重点开发出焊接性优的高强度钢及厚壁、超大入热焊接性、耐蚀和耐疲劳性优良的多功能性钢板。特别是为适应近年集装箱船增多的要求，开发出厚度为65～80mm、屈服强度为390MPa的高强度钢板。

　　2）建筑用钢板。自1995年阪神大地震后，人们对建筑用钢板的低屈服比、高焊接性更为重视，并从防脆性破坏出发，将确保焊接部的耐冲击性和吸收能等指标纳入标准。过去多用HT490，随着建筑的高层化，590MPa高强度钢板开始标准化和实用化。

　　3）桥梁用钢板。过去多用TS400～490MPa级钢板，1996年为适应桥梁结构改进，使板厚扩大到100mm，强度亦扩大到570MPa。另对降低焊接时的预热温度，又开发出板厚34mm的TS780MPa钢板。

　　4）大口径管线用中厚板。随着油气开发向寒冷地区和深海发展，对管线用钢板的高强度化、现场焊接性、低温韧性和耐蚀性等要求日益提高。在高强度方面，X80已实用化，X100管线用钢欧美在共同开发中，2002年由加拿大率先纳入标准。日本近日开发出防震性和吸收能好的管线钢。

　　5）水压钢管、海洋结构用钢板、低温罐用钢板和产业机械用钢板。抽水蓄能发电用水压钢管多用高强度厚板焊成，如下流的分支处用HT780的200mm厚板和HT980的100～150mm厚板，为此开发出焊接低预热型的HT980和TMCP980高强度厚板。

　　海洋结构用钢随形式不同，高强度化的趋向迥异，但最近在寒冷地区建设的海洋结构要求采用比船用钢板更严格韧性的母材和焊接部，已开发出用TMCP生产的冰海区用YP420和YP500～550级钢。

　　近年LNG罐的建设较活跃且容积呈扩大化趋势，越过8万立米级正在建设14～18万立米级，所用钢板已开发出厚40～50mm的9％Ni钢并已实用化。

　　还有卡车起重机等产业机械亦在大型化，可确保疲劳强度的主梁用HT780～980亦开发成功；另适应土木机械大型化的高硬度耐磨钢HB500亦在开发中。总之，上述中厚板在强度提高的同时，防止焊接部开裂的预热温度却下降了15～50℃等。

　　另外在高强度中厚板性能普遍改善的同时，生产工艺亦在不断改进。现举两例如下：

　　1）形状控制中厚板。LP钢板指长度方向板厚变化的钢板，由此可使结构合理、重量减少和加工工艺简化。它在轧制时为使长度方向的板厚变化，采用了先进的油压式板厚控制技术。

　　2）TMCP技术作为生产高强度钢板的主流工艺亦在不断改进。最近，在冷却开始时除应用导热系数高的核沸腾现象的同时，并应用了水冷方式。另在2004年，世界上开发中厚板在线加热设备，在线淬火、回火的连续加工热处理得以实现，使对钢板组织控制的自由度亦相应扩大。

　　3．机械结构用钢

　　以汽车部件用为主的机械结构用钢的开发，10年来为适应保护地球环境、降低成本和确保安全等要求而取得了很大进步。首先是从汽车节油和减排CO2出发，为使部件轻型化而促进了钢材的高强度化。其次是为有效循环利用废钢而开发成功无铅易切钢并部分应用。在降低成本方面进步较大。

　　1）弹簧钢。汽车悬挂结构用弹簧正以节油为目的实现高强度化，其设计的最大剪断应力已由1987年的1080MPa提高到2004年的1200MPa，接着抗拉强度≥1900MPa的弹簧钢也开发成功。最近由于路面撒盐防冻的增多，为防止盐分对悬挂弹簧的腐蚀，正在开发降低腐蚀起点的耐氢脆化的新钢种。

　　发动机吸、排阀用的阀簧亦走向高应力设计和小型化。考虑它经受1亿次以上的反复荷重仍能长期可靠使用，已开发出对弹簧丝的高强度化加上喷丸、氮化等表面处理的耐疲劳技术。

　　2）螺栓用钢。在原螺栓用高强度钢13T（用于汽车）和14T（用于建筑）的基础上，近年又进行了以下技术开发：（a）通过高温回火使晶界碳化物无害化；（b）利用V、Mo等合金碳化物析出的二次硬化作用，以确保高温回火后的强度；（c）利用上述合金碳化物对氢的疏导效果和提高耐蚀性。另利用拉丝珠光体的1600MPa级高强度钢亦实用化，即由于冷拉时形成的微细化组织和高密度转位均抑制了氢的扩散和裂纹扩展，成为耐氢脆化的有效机制。

　　3）齿轮、CVT用钢。汽车减速机等齿轮用的多为表面淬火钢，即0．2％C的碳素钢经表面渗C淬火后制成；近来作为减速机使用的CVT亦同。齿轮的高强度化主要是提高齿根的弯曲疲劳强度，现通过喷丸和加Mo以减少渗C异常层等效果显著。另考虑齿轮转动中表面温达300℃时，将使钢软化而产生表面点蚀等缺陷，经判明回火处理可增大抗软化点蚀而提高寿命，故通过加大含Si量而开发出耐高面压齿轮用钢。

　　4）易切钢。为改善废钢循环利用，1996年公布的“报废汽车再生利用志愿计划”中规定，2000年除铅蓄电池外的用铅量减少1／2，2005年减少到1／3，加上欧盟规定更严，均推动了无铅易切钢的开发。主要采取加大钢中含S量和对硫化物夹杂的形态控制，亦有加入Ca、Mg、Ti等对硫化物形态控制的。除改善切削性外，对加S引起的机械特性下降亦有改善，现已在汽车曲轴等部件应用。

　　5）非调质钢。它利用V的析出强化在热锻轧下的强度可同调质钢，正广泛用汽车发动机部件的连接杆等处，对降低成本的作用较大。如它为和曲轴连接，端部分割为棒状和插口两部分，过去由分别热锻和机加工后组合，且对加工精度要求极严，致使成本较高；现用非调质钢整体成形组合方式，可省去机械加工而使成本大幅下降。

　　6）轴承钢。主要是高C铬钢类（如SUJ2），亦有表面淬火钢和耐蚀合金钢类。高C铬轴承钢的化学成分历经百年基本无变化，但它的转动疲劳强度寿命却由于采用了真空脱气处理致使钢中氧化物夹杂大幅下降而明显提高，目前正为开发氧含量降低到＜5ppm而努力。

　　4．耐热钢

　　耐热钢可在高温下长期使用，它的开发成为火电、核电、化工装置、垃圾发电和汽车等产业发展的关键。近年来在减排CO2、节能和抑制二恶英排放等社会强烈要求下，进行了高强度、高耐蚀耐热钢及相关评价技术的开发。

　　1）产品开发。（a）在火电方面，过去铁素体系耐热钢的使用温度上限为620℃，近来有所发展，如650℃超临界压发电设备可长时使用的锅炉厚壁钢管和透平用的高强度9－12Cr铁素体系耐热钢在开发中，同时锅炉过热器管用奥氏体系耐热钢则由18Cr－8Ni向25Cr－20Ni发展，加上加W后进一步高性能化，可用温已达700℃水平。（b）在核电方面，作为650℃快中子增殖堆的燃料被复管，高温蠕变温度非常高且耐辐射性优的氧化物扩散强化的铁素体系9Cr耐热钢亦开发成功。（c）在精制氢的化工装置方面，反应容器用2．25Cr－1Mo钢在上世纪90年代前半期仅达450℃－17MPa的水平，在高强度的3Cr－1MO－V钢和2．25Cr－1Mo－V钢开发应用后，现在已达510℃－24MPa的水平。（d）垃圾发电亦由于高耐蚀奥氏体系耐热钢的开发应用，锅炉蒸汽温已由300℃提高到500℃。（e）汽车排气用耐热钢部件方面，钢制集合管已取代了过去的铸铁管。为提高汽车发动机性能和减重，已开发出18Cr－2Mo－Nb耐热钢，使尾气达900℃以上。

　　2）材料评价技术开发。以物材研的蠕变图表为首，各相关单位都在长期积累资料的同时，以对蠕变形、破坏行为的解析为基础提出了长期寿命预测法。还有部分铁素体系耐热钢经长期使用后强度明显下降，从此意识到长期蠕变试验的重要性和查明其支配因素的必要性。主要研发内容如下：

　　（a）结合650℃级铁素体系耐热钢的开发，以物材研机构的“超级钢铁研发”项目为中心，提出了有关提高蠕变强度以及耐氧化性、焊接接头强度、蠕变疲劳强度等建议。在提高蠕变强度方面，经对微细组织观察和蠕变行为解析后已明确定论，同时亦部分明确了长期维持晶界附近强化组织的材料设计指导方针，并提出了开发各种钢的方案：（ⅰ）通过加入高浓度B使晶界附近的M23C6碳化物长期微细分散化的耐热钢；（ⅱ）仅利用MX型微细化氮化物使晶界附近组织稳定化的耐热钢；（ⅲ）不利用碳氮化物而仅使Fe2（Mo•W）Laves相等金属间化合物微细分散的耐热钢。现将按上述方案和长期蠕变试验结果进行新钢种开发。

　　（b）长期蠕变强度评价技术。在发现回火马氏体组织的9－12Cr系耐热钢，经长期使用后蠕变强度显著下降的现象在550℃及以上温度下频繁出现后，乃利用能量过滤电子显微镜观察研究，以查明蠕变强度下降的组织因素。经过一段研究已开发出利用短期数据便可预测出10万小时以上的蠕变寿命的方法，称为PPT法。

　　5．不锈钢

　　不锈钢用途广泛但要求的性能各异，现在多按不同用途而分别开发。近10年来的热轧材年产量波动在300万t左右，从用途看，上世纪90年代初以炊事用钢为最大，10年间以运输机器用部分增长最快，近年则转向家电和精密机器用。

　　1）运输机器。现占不锈钢市场的20％，其中80％为汽车用。随着汽车尾气排放标准的严格化和为节油的车体轻型化，不锈钢的应用将扩大。如尾气集合管在以不锈钢管代替较重的铸铁管；为适应尾气温上升，又开发出高温下的耐疲劳性好的SUS444系不锈钢及耐氧化性、强度俱佳的奥氏体系不锈钢SUSXM15J1和23Cr－11Ni－N制作的二重排气管；挠性管则考虑管端加工采用了高延性的奥体不锈钢；触媒载体则以高Al不锈钢为主；给油管则以铁素体系不锈钢管代替镀锌管等。

　　在船舶用不锈钢方面，为适应轻型化和易维修，化学罐用的高强度不锈钢SUS316LN和耐蚀性高的22Cr－16Ni－3．5Mo－2Cu－0．2N不锈钢亦开发成功。

　　2）土木建筑。年用量徘徊在20万t左右，主供屋顶板用。22Cr－Mo系不锈钢于1999年开发并纳JIS后，已由内陆扩大到滨海建筑应用；2003年又开发出使用寿命可达100年的11Cr－低C－低N不锈钢。

　　3）产业机器。以食品工业应用较多，处理食盐的食品工业机器对耐蚀性要求较高。现已开发出高蚀性的超级不锈钢20Cr－18Ni－6Mo－0．2N、23Cr－25Ni－5．5Mo－0．2N和25Cr－7Ni－3Mo－2W－0．3N等，正用于酱油工业的贮罐。另，加B的不锈钢有利吸收核辐射。

　　4）家电、精密机器。最早应用的为洗衣机回转筒用SUS430LX系铁素体不锈钢和供清洁用的含Cu、Ag的抗菌不锈钢，接着用冰箱外板、电炊具和餐具洗净器等亦开始应用。为适应成形性和耐氯化物腐蚀的要求，开发出可形成润滑皮膜的不锈钢和加入Cu、Si以提高深冲性和耐氯化物腐蚀的17Cr－7Ni－1．5Si－2Cu和19Cr－13Ni－3Si－1MO－2Cu等不锈钢。另为降低成本，正以不含Ni的铁素体不锈钢代替奥氏体不锈钢，为达到原有的成形性，已开发出17Cr－Ti系铁素体不锈钢；由于降低了C、N含量致改善了加工性，另通过加入微量B致对改善冲压加工性的效果亦显著。为适应家电的外表美观性，还开发出表面色彩好的不锈钢。在精密机器方面的应用也在扩大，通过降低Mn、提高Cr以作为稳定硫化物而抑制H2S发生的易切削的19Cr系铁素体不锈钢已开发成功，并用于硬盘部件等处。

　　5）下一步的开发方向。迄今的研究开发使不锈钢的组织、耐蚀性、加工性和表面质量等均大幅改善，适用范围亦相应扩大。进一步提高性能的研发正在上升为国家项目，主要是将杂质元素降至极限的高纯不锈钢和高Cr合金的开发。还考虑将N的利用量提高到1％左右。

　　三、应用、评价技术的进步和发展

　　1．冲压成型和数值模拟

　　汽车从节油、减排CO2出发而实施车体轻型化的同时，为保冲撞安全性而要求钢材的强度大幅提高，以致高强度薄板提高冲压成形性，其数值模拟技术以及预测冲撞特性提高的数值模拟技术受到汽车零部件企业的重视而相继开发。

　　1）冲压成型性。为解决冲压成型时的形状不良和破断、折皱等表面缺陷，除从材料上开发高性能化技术外，并开发出补救成型性不足的高润滑材料和张力控制成型等技术，同时还开发出数字模拟技术，对成型不良进行事前预测。

　　汽车结构部件用高强度钢成型时的最大课题为成品的尺寸精度，正研究改用弯曲成型以减少弹性反弹和利用数值模拟使模具最佳化的方法。成型方式由延伸成型改为模式延伸成型后可使弹性反弹量明显下降，现已被广泛应用，还有改变模具形状，使钢板冲压到模具底部时对钢板施以张力，亦可抑制弹性反弹的张力控制成型法，现已对简单形状部件用980MPa钢板进行高精度加工，现正研究用于形状复杂部件的加工。

　　高强度钢板的液压润滑成型指在模具和材间供给高压润滑液下的成型法，可使加工成型的范围明显扩大，换算为材料的r值可达0．4以上。另外从冲模或冲头的一侧供润滑液亦有提高成型性的巨大效果，现正以前门内板加工作试验。

　　2）数值模拟。这一技术进步很快，对冲压成型的裂纹、折皱等基本上均可预测。关键是对冲压成型材料的成型极限曲线（FLD）的正确求解，在材料生产厂已建FLD数据模拟软件的同时，亦有将FLD数据库化以提高冲压成型模拟精度的。另在汽车部件冲撞模拟精度的提高方面，特别是通过材料对形变速度依存性的数据库化，得知钢材加工时的形变分布和板厚减薄率对冲撞性的预测影响巨大，故在近年利用独自的数据库模拟解析以开发部件的增多。在对冲撞弯曲、压碎数值解析时应重视应力－形变曲线，并尽量利用实际测定值，这对高强度薄板冲压加工甚为重要。

　　按照上述基础数据进行的数值解析和对块状部件（断面60×60、高60mm）的冲撞试验结果基本一致，说明正确利用形变依存性的重要。最近对块状部件冲压成型时，又采用了形变分布的模拟解析，亦和试验结果基本一致，正在实用化。

　　3）今后展望。随着高强度钢材在汽车上的应用扩大，上述模拟解析技术将更为重要，希望有关部门共同协作研发出更多的实用新技术。

　　2．焊接技术

　　10年间的主要技术开发成果如下：（a）阪神大地震后提高钢结构的焊接特性，乃是建设省（现国交省）的重点项目，基于保证钢结构焊接部的必要韧性而制定了防止脆性破断的指导方针，为以后的焊接技术、焊接用金属和焊接用新钢种的开发指明了方向；（b）为适应城市的再开发中多种结构和大跨度高层大楼的建设，从保耐震性出发对钢结构焊接部的高韧性要求，大入热焊接用钢开发成功耐火钢亦开发出并实用化；（c）开发出适于焊接用的各种高强度钢，如建筑用SA440，桥梁用SM570和高性能YP－500MPa钢，造船用EH390和EH460，海洋结构用YP－500MPa钢和管线用X80－100等钢种；（d）入热达50～100kJ／mm的大入热电弧焊和电渣焊等亦被广泛采用，并确保了焊接质量。