创新型复合钢材的研发

迄今为止，钢铁材料的发展支撑了许多科学技术和产业的进步，进入21世纪以来，科学技术和产业对钢铁材料的新需求从未间断，特别是能源、环境、安全方面的变化，对钢铁材料提出了更高的要求。例如，在汽车用钢方面，DP钢和TRIP钢的开发促进了车体轻量化和冲撞安全性的提高。但为了进一步实现轻量化和提高环保性，实现兼有更高水平的强度和与其相反性能的延展性，是今后汽车用钢研究的重要课题。

随着结构体和设备性能要求的提高，材料选择也在发生变化。最初选择的材料是容易获得的材料和容易使用的材料，如果现有材料不能满足要求，就对这些材料进行改良。改良材料还不能满足要求，就选用其他材料。如果还不能满足要求，就会创制新材料。

在汽车用材的大范围内，钢铁材料由于成分设计和组织控制，使材料的易用性有了很大提高。但在进一步轻量化以及强度和韧性兼具方面，出现了钢铁材料的竞争材料铝合金和碳纤维增强复合材料（CFRP）。材料正在进一步发展，目前创新型复合钢材已经处于实际研究阶段。

创新型复合钢材构想从2004年不断发展。创新型复合钢材具有的组织、性能是单一钢铁材料不能实现的。多层化创新型复合钢材是具有不同成分和组织的钢或钢与其他金属组合形成的层状材料。其成分和相的分数超过了单一钢铁材料热力学的规则。而复合闭锁创新型复合钢材，是以外部导入的弥散化合物为核心生成发达的放射状延伸硬质相，形成比普通钢更复杂的多相组织。

多层化创新型复合钢材是多种材料几何学组合材料。使用的其他非钢材料有聚合物、玻璃、木材等。利用这些材料和钢板制成的多层聚合物压层板等复合材料具有单片非金属材料和单片钢板没有的特性和优点，近年来开发出具有减震功能的层压复合钢板。尽管单体钢铁材料有了很大进步，但其研究已经接近极限。在对钢铁材料要求日益提高的过程中，展开了对“微观结构”和“超结构”控制，提高钢铁材料的设计自由度和扩大钢铁材料的性能范围的研究具有很大潜力。在新思路的基础上开展钢铁材料研究具有很大意义。

创新型复合钢板

创新型层压复合钢板的主要目的是利用因脆性来应用受到限制的马氏体组织。创新型层压复合钢板将马氏体做为构成层，通过复层化使创新型层压复合钢板既有高强度又有高延展性。一般情况下，马氏体岛状分布的DP钢变形时，硬质马氏体不变形。周围的软质铁素体基体发生应变集中。

创新型层压复合钢板在层方向变形时，由于应力分布在软质层，并且由于复层抑制了颈缩，所以硬质马氏体层与软质层一起变形。这一点在拉伸试验中的中子散射试验得到证实。因此说，复层化使马氏体变形成为可能，从而实现了兼有高强度和高延展性。

过去进行的金属—金属层压材料研究表明，层压材料的强度遵从混合比例法则，但层压材料的延展性不遵从混合比例法则。硬质层的延展性越低，层压材料的整体延展性越接近硬质层的延展性。对于钢材来说，延展

对延展性差别很大材料组成的压层材料低延展性原因的研究结果表明，在压层材料变形过程中，复层界面发生剥离的同时，产生了导致硬质层脆断的H形裂纹和使硬质层本身发生隧道状断裂的隧道裂纹。防止复层界面发生剥离的方法是提高复层界面强度。防止裂纹产生的方法是控制硬质层的厚度。这两个方法已经成为创新型层压钢板的设计指南。在防止裂纹产生方面，利用弹塑性解析查明，硬质层的断裂韧性和软质层的加工硬化性，对裂纹产生有一定影响。根据这种超结构设计指南，设计出淬火马氏体钢和奥氏体钢、TRIP钢、TWIP钢组合的，可进行高应变变形而不断裂的，具有高水平强韧性的多层创新型层压钢板。

研究初期出现的多层创新型层压钢复合板是采用轧制方法制作的马氏体钢和奥氏体钢交互25层的压层钢板。设计为25层积层的原因是，压层钢板中作为硬化层的高C—高Cr马氏体不锈钢的断裂韧性非常差，层的厚度必须减薄。单一高C—高Cr马氏体不锈钢是非常脆的钢，由于控制层厚的多层化，伸长率达到20%以上。一般的碳素奥氏体钢的断裂韧性好于高C—高Cr马氏体不锈钢，所以可以使层厚较厚，层数较少。目前已经研究出强度为1500MPa—1800MPa级的5层创新型层压钢板。此外，还进行了多层化条件下淬火马氏体高应变变形的基础研究。

压层钢板的硬质层不仅是马氏体钢，也可以是多种材料。例如，晶体结构为hcp的延展性很低的镁合金与延性钢的复层化材料，可以获得比单一镁合金高的强度和延展性。采用含Cu、Sn量高的废钢制造的钢做为高强度层，可以实现降低高温脆性、提高制造性并同时提高最终制品延展性。

以弥散化合物为起点的复杂组织创新型复合钢材

以钢中弥散分布的氧化物、氮化物为起点的转变组织复杂化的创新型复合钢材，是通过贝氏体转变使变异选择多样化，由此增加了针状组织的交叉和连接以及残留奥氏体的分断和细化，从而形成复杂的多相组织。贝氏体以氧化物为起点向多方向长大，形成了交叉的网状贝氏体组织。与无氧化物时相比，钢的贝氏体—残留奥氏体复相组织明显复杂化。目前存在的问题是，贝氏体长大时间很长。增加贝氏体转变起点密度，可以提高转变效率、缩短转变时间。目前正在进行弥散化合物类型和弥散粒子密度对贝氏体转变影响的研究，同时，对钢水—氧化物浸润性进行研究，以提高钢水中粒子的弥散度。

创新型复合钢材的界面控制

对于创新型压层钢板来说，保证异类钢板复层界面足够强度和保证钢板与非钢金属板复层界面足够强度，是防止层间剥离和提高强韧性的关键，也是创新型压层钢板制造中的重要问题。对于化合物粒子弥散钢来说，对化合物和钢界面的控制十分必要。一般情况下，采用高温大压下的方法容易将金属进行接合。压层钢板是通过成分和组织不同的构成层获得兼有相反特性的材料。对于创新型压层钢板，应控制层间溶质扩散。目前的制造方法是对加热温度和加热时间进行控制的辊压结合（rollbonding）法。此外，正在进行关于更低温度压下复层界面形成的基础研究。

对表面活性结合方法使复层界面形成的机制进行详细研究发现了低压下、短时复层化的更简便的压层钢板制造方法。此外，对于钢和镁合金这类原本不能结合的材料，开发新型接合技术十分必要。目前已经开发出利用中间嵌入金属的反应型TLP（TransientLiquid-Phase：瞬时液相）接合方法，制造出钢—镁合金压层钢板。这种界面控制和新型接合方法是今后金属材料复合化的关键技术。