内容简介
《高品质特殊钢与大型构件制备技术》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。特殊钢代表了钢铁工业的制造水平，高品质特殊钢很大程度上决定了基础零部件的质量，特殊钢与大型构件的高品质制造是亟待解决的问题。《高品质特殊钢与大型构件制备技术》*先简述特殊钢的种类、用途以及制造方法，然后重点介绍作者团队在特殊钢高洁净冶炼与均质化控制方面取得的重要进展。发现钢中氧作用的新机制，高氧含量诱发宏观偏析，同时导致稀土钢的性能剧烈波动，据此提出氧致通道偏析新机制和“双低氧”特殊钢的创新学术思想，开发低氧洁净化与低偏析控制、轴承钢均质化制备、大型构件构筑成形、多尺度模拟仿真等关键技术，在核电大型锻件、水电大型铸件、大型船用*轴、高端轴承等关键构件中成功应用，取得了十分显著的经济效益和社会效益。《高品质特殊钢与大型构件制备技术》共七章，内容涵盖特殊钢的高洁净冶炼、偏析形**机制与控制、稀土在钢中的作用机理与控制技术、特殊钢大型构件的研发与应用、轴承钢制备、特殊钢大型构件制造过程的全流程多尺度模拟计算等。
目录
目录
总序
前言
第1章 概论 1
1.1 特殊钢基本概念与分类 1
1.1.1 特殊钢基本概念 2
1.1.2 特殊钢分类 2
1.2 特殊钢的现状与发展趋势 14
1.2.1 国内外特殊钢现状 14
1.2.2 特殊钢发展趋势 16
1.3 特殊钢制备方法 21
1.3.1 特殊钢冶炼方法 21
1.3.2 特殊钢成形方法 23
1.3.3 特殊钢热处理 23
1.3.4 特殊钢测试评价 23
1.4 大型构件制备 24
1.4.1 大型构件分类 24
1.4.2 大型构件制备方法 30
1.4.3 大型构件缺陷演化与控制技术 31
1.5 特殊钢全生命周期研发测试 32
1.5.1 解决特殊钢与高端基础零部件制造难题 32
1.5.2 提出组织定制学术思想 33
1.5.3 持久支撑基础零部件自主可控制造 34
参考文献 37
第2章 低氧稀土钢制备 43
2.1 氧在钢中的作用 43
2.1.1 氧在钢中的作用机制 43
2.1.2 氧对夹杂物的影响 44
2.1.3 氧对疲劳性能的影响 45
2.2 低氧洁净钢的制备 45
2.2.1 低氧洁净钢的冶炼 45
2.2.2 全流程控氧工艺 49
2.3 低氧稀土钢的制备 51
2.3.1 稀土在钢中的作用机制 52
2.3.2 稀土对高碳铬轴承钢中夹杂物的影响 59
2.3.3 氧对稀土钢的影响机制 69
2.3.4 “双低氧”稀土钢的制备 71
2.4 低氧稀土钢的夹杂物表征 74
2.4.1 低氧稀土钢中夹杂物三维表征方法 74
2.4.2 钢中非金属夹杂物全自动提取设备 76
2.4.3 国内外轴承钢的夹杂物对比分析 78
参考文献 79
第3章 低偏析钢制备 83
3.1 钢中偏析的类型与形成机制 83
3.1.1 钢中偏析类型 83
3.1.2 自然对流作用下的偏析形成机制 85
3.1.3 钢锭负偏析形成机制 100
3.2 氧致偏析的机制与控制 105
3.2.1 氧对偏析形成的影响机制 105
3.2.2 氧致通道偏析的大型钢锭实物解剖 120
3.3 全域低偏析钢的制造方法 128
3.3.1 低氧钢的浇注与凝固控制 128
3.3.2 凝固自补缩与铸锻一体化 130
3.3.3 大型锻坯构筑成形技术 132
参考文献 146
第4章 不锈钢大型铸件制备 150
4.1 马氏体不锈钢的成分设计 151
4.1.1 马氏体不锈钢的化学成分 151
4.1.2 镍铬当量比设计与高温铁素体相控制 152
4.1.3 不锈钢中氧含量的控制与点状锈蚀 153
4.2 三峡水轮机转轮大型铸件的制备工艺 159
4.2.1 百吨级上冠铸件的铸造工艺设计与缺陷控制 159
4.2.2 百吨级下环铸件的浇注系统设计 161
4.2.3 大型叶片的变形模拟与反变形控制 162
4.3 马氏体不锈钢中的逆变奥氏体相控制 165
4.3.1 回火过程中逆变奥氏体相的演化 165
4.3.2 逆变奥氏体热稳定性分析 172
4.3.3 逆变奥氏体的机械稳定性与TRIP效应 178
4.3.4 不锈钢铸件的热处理工艺 190
4.4 高强韧马氏体不锈钢的扩展应用 190
4.4.1 关键合金元素控制 191
4.4.2 热处理工艺的影响 192
参考文献 193
第5章 大型锻件制备 196
5.1 大型船用*轴的制备 197
5.1.1 大型船用*轴所需钢锭制备 199
5.1.2 大型*拐锻件的弯锻成形 204
5.1.3 大型*拐锻件的热处理 222
5.2 核电大型锻件的制备 232
5.2.1 核电大钢锭的制备 232
5.2.2 核电大型锻件的一体化成形 236
5.2.3 核电大型锻件的热处理 242
5.3 低温工程用大型锻件研制 249
5.3.1 均质化大型锻件近净成形制备 250
5.3.2 新型热处理工艺原理及应用 251
参考文献 254
第6章 高品质轴承钢制备 258
6.1 超低氧轴承钢冶炼 258
6.1.1 氧对轴承钢影响 258
6.1.2 低氧轴承钢精炼 259
6.1.3 稀土轴承钢冶炼 264
6.2 高均质轴承钢制备 265
6.2.1 GCr15轴承钢均质化制备 265
6.2.2 航空发动机用M50轴承钢均质化制备 266
6.2.3 盾构机用CrMo轴承钢均质化制备 270
6.3 轴承钢热处理 275
6.3.1 M50钢全流程热处理 275
6.3.2 GCr15钢全流程热处理 280
6.3.3 高淬透性高碳铬轴承钢的全流程热处理 290
6.3.4 42CrMo4M钢热处理 293
6.3.5 白蚀组织形成机制的新认识 301
6.4 轴承钢的应力解析与控制 305
6.4.1 残余应力的检测 305
6.4.2 表面压应力的形成 311
6.4.3 残余应力的控制 312
6.5 轴承钢在高端轴承中的应用与评价 312
6.5.1 轴承钢全生命周期研发与评价 313
6.5.2 高端轴承的研发与应用 313
参考文献 323
第7章 多尺度模拟计算 326
7.1 **性原理计算 326
7.1.1 氧致偏析
试读
第1章概论
1.1特殊钢基本概念与分类
特殊钢强调一个“特”字，“特”在成分、工艺、组织、性能方面显著区别于普通钢。与普通钢相比，特殊钢虽然体量不大，国内年需求量约为7000万吨，但特殊钢位于金字塔**，十分重要，关乎国家高端钢的制造水平，关乎产业链的安全和高端装备的可靠运行，关乎“双碳”目标的实现。特殊钢制造难度大，工艺链条长，其价值不仅体现在母材上，更体现在精深加工产业链上。从钢材冶炼到终端零部件制造，特殊钢制备工艺流程长，技术环节多，因而特殊钢全生命周期的技术链亟须贯通。迄今，部分专用的高端特殊钢仍然依赖进口，主要从美国、日本、德国、瑞典等发达国家进口，亟须解决进口替代问题。这些国家在面向重大需求特殊钢的基础研究深度、技术链的水平和完整性、产品的质量和稳定性、品牌效应等方面具有一定优势，因此占据了国际市场，控制着价格和供货周期。我国要解决特殊钢的全链条问题，就需要从材料的源头上进行技术创新，从材料入手，贯通技术链，打造创新链，对接产业链，才能实现特殊钢的国产化，产品质量将逐步超越国外。这一目标预计在未来十年将逐步实现，其关键是要解决产业链贯通问题。但特殊钢的发展没有止境，可以预见，至少在未来数百年内，特殊钢都是不可替代的关键基础材料。在高洁净、高均质的基础上，基于人工智能和大数据科学，未来将根据性能需求，实现智能化的组织定制和成分设计，建立性能与组织的一一对应关系。在智能设计的基础上，通过组织调控，一方面，逐步减少Cr、Ni、Mo、Nb、W、V、Co等金属加入量，实现特殊钢的微合金化，直至材料素化，将成分设计主导变革为性能需求主导；另一方面，在现有合金体系的基础上，将实现特殊钢应用的超长寿命和超高可靠性，为“双碳”目标实现做出突出贡献，以上将是特殊钢领域的重要发展方向。
1.1.1特殊钢基本概念
通常情况下，具有特别化学成分，采用特种生产工艺，具备优异的组织和性能并能够满足特定需求，具备以上一种或几种特征的钢即可称为特殊钢。特别化学成分是指添加了大量合金元素，如Ni、Cr、Mo、V、Nb、Co、W等；特种生产工艺是指采用真空感应（vacuum induction melting，VIM）熔炼、钢包精炼、真空处理、电渣重熔（electro slay remelting，ESR）、真空自耗（vacuum arc remelting，VAR）、模锻、自由锻、真空脱气精炼等；特定性能是指制造的钢材及其零部件具有高强、高韧、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗冲击等性能。在洁净化冶炼方面，需严格控制以下元素总量，如O、N、H等气体元素，S、P等杂质元素，以及As、Sn、Pb、Bi、Sb五害元素等；在钢材均质性方面，需进行材料的低偏析制备与组织均匀性控制。
特殊钢广泛应用于国防**、轨道交通、冶金机械、能源电力、石油化工、航空航天、深空深海、工业母机、机器人、人工智能等高端装备制造领域，是国际竞争的焦点。随着人民生活水平的提高，特殊钢也走进了千家万户，与百姓的日常生活密切相关。例如，很多厨用刀具、剪刀、剃须刀等都是由特殊钢制造而成的。未来百姓生活品质的进一步提高更是离不开特殊钢。
1.1.2特殊钢分类
特殊钢一般按照钢种成分和冶炼工艺分类，传统的特殊钢主要包括轴承钢、工模具钢、齿轮钢、弹簧钢、耐磨钢、耐热钢、低温钢、耐蚀钢、紧固件用钢、电工钢等。在高端装备制造领域，大型铸锻件也属于典型的特殊钢制品，如水轮机转轮大型铸件、核电压力容器和蒸汽发生器大型锻件、大型盾构机轴承套圈大型锻件等。对于成分不特殊但性能要求特别高的低合金钢，甚至普碳钢，由于需采用真空冶炼、模锻成形等特殊工艺制备，有时还采用电渣重熔工艺生产，因此也可称其为特殊钢。例如，大型盾构机主轴承所用套圈，*大直径达8m，使用时承受大载荷，采用铬钼钢制备。但由于洁净度、均质性、硬度均匀性等要求特别高，该套圈用钢需采用微量稀土元素添加、钢包精炼、真空处理以及锻轧相结合成形等调控方法，因此也称其为特殊钢。不锈钢也属于特殊钢，但由于其特殊的属性和广泛的用途，国内消费体量已达到3000万吨，且自成体系，本节不将其列入特殊钢分类中。
本节主要以轴承钢、模具钢、齿轮钢、弹簧钢为典型代表对传统特殊钢材料进行简要介绍。
1.轴承钢
轴承是机械传动轴的支承，是高端装备的关键基础部件，常被誉为“工业关节”，广泛应用于精密机床、高档汽车、高速铁路、冶金设备、矿山机械、航空航天、风力发电、舰船等领域。轴承的服役环境极其严苛，通常在高接触应力、高旋转速度、高旋转周次、高温环境等复杂工况下运行，因此轴承钢需具有高洁净度、高强度和表面硬度，以及良好的抗疲劳性能等[1，2]。由于轴承服役环境的多样性和性能要求的差异性，轴承材料品种丰富，主要包括高碳铬轴承钢、渗碳渗氮轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢等。
1）高碳铬轴承钢
高碳铬轴承钢是世界上**代轴承
