为何需要超级钢铁材料

从21世纪初起，高度工业化的日本将迎来大的转换期。这主要表现于：（1）人口在2010年左右开始缓慢地减少，2009年以后平均每5人当中就有1人是65岁以上的高龄者；（2）在五六十年代建成的主要基础设施已老化，大部分设施需要更新换代；（3）更新社会基础设施的经费在整个社会设施总投资额中占的比率将会不断增大，预料到了2016年以后将超过50%，但其维修保养费也庞大；（4）随着钢铁用量的增加，废钢铁量也随之而增加，预料2010年以后仅在都市内的废钢铁将超过5000万吨，给回收再利用带来很多困难；（5）随着周边人口众多发展中国家经济的发展，资源、能源或地球环境等问题会更加尖锐化。

日本是个人口众多资源贫乏的国家，如何运用先进科技使有限的资源能发挥出其最大的利用价值，从而建设成既能与地球和谐又能持续发展的美好社会是政府的重要任务。钢铁是社会基础设施或国民生活中的重要材料，但现有的钢铁质量难于达到上述目标。为此，开发出更优质钢铁——超级钢铁材料是当务之急。

超级钢铁材料应具备的性能

为能适应于21世纪社会结构的变化与可持续发展，超级钢铁材料应同时具备以下4个条件：（1）能确保更高强度化与高度安全性；（2）寿命更长寿化；（3）开发出能以低成本，省资源及节能制造工艺；（4）能减轻环境的负担度，如循环再利用废钢铁及削减二氧化碳的排放量。

钢铁材料在金属、塑料、水泥及木材等重要消费材料中占40%，是极为重要的结构材料，也是丰富国民的生活及提高安全感的基础材料，用于生产各类家用电气产品或汽车及盖大楼或造桥等。

要构筑可持续发展的21世纪的社会结构的因素很多，但大量高质量的钢铁是其中的因素之一。原有炼钢铁技术已难于完成这任务，必须开发出有突破性的炼钢铁技术，为此必须积极地推进这方面的基础理论研究，争取在2015年以前使超级钢铁材料能达到实用化水平。

开发超级钢铁材料的研究结构

金属材料技术研究所从1997年4月起就开始研究“21世纪的结构材料”，即21世纪的超级钢铁材料。这是属于基础性研究的科研项目，目的是为满足于21世纪的社会与经济发展的需求，目标是实用强度为现有钢铁材料的2倍，结构体寿命的2倍，总生产成本与环境的负担度有所降低。

要完成这项课题，就必须掌握在产学官积蓄的高科技与研究的潜在力。为此，在金属材料技术研究所设立了“新领域结构材料研究中心”。在该中心任职的约135人，其中包括合同的职员与研究人员80人，从民间聘请的“结构材料特别研究人员”约20人，主要从各大学聘请的客座研究人员约35人。采用定期与不定期任用制度，以利于人才的任命或流动，有更大灵活性，在推动研究工作方面也采取集中与分散相结合的办法。

为使从原料到最终制品的各生产环节都能达到高品质化和高性能化，各专业领域设有重叠研究机构，相互的紧密合作是必不可少的。为此而设立了以下3个专门的研究组织：（1）研究原材料如何搭配的“材料创制研究所”；（2）研究如何使已搭配好组织不受损伤而能顺利连结起来的工艺的“结构体系统化研究所’；（3）评估原材料及其结构体的各种特性的“评估研究所”。

为使各个研究课题能扎实地向前齐头并进及各专业领域间科研信息容易得以交换，从这3个研究所选拔出优秀研究人员组成一个研究推进小组。由该小组负责指导各研究所的科研活动及收集科研信息。

对结构性材料研究开发的要求是掌握社会与经济方面的需求动向，同最后消费者的联系及掌握实用化阶段的真实情况。为此，设立了包括产学官各领域的外部委员在内的各委员会，采取对外公开的研究运行体制。

超级钢铁材料的研究开发课题

研究开发课题从计划立项阶段就得到民间及大学等许多领域专家的协助。对其效益的大小及达成目标的可行性作了综合评估后，把结构材料的高强度化与长寿命化列为两大科研课题。各科研课题都有2个科研项目，合计有4个科研项目。

关于结构材料高强度化的研究

（1）向易再利用的800 MPa级焊接构造用钢挑战。

在建筑或土木等建设领域大量使用铁骨或铁筋。虽然日本是世界上屈指可数的钢铁生产大国，据1996年通产省的统计，粗钢约1亿吨中的内需达7000万吨左右。其中，据估算在建设领域的内需占40%达约3000万吨。另一方面，现在从建设领域发生的废钢铁料就占市内废物中的约30%。预料到了经济高速成长时期盖的建筑物大量更新时，废钢铁的发生量就多，比率也高。

到了21世纪的更新时期，废钢铁的再利用也容易，如果能供给强度高且寿命也长的原材料，既可节省资源也可节能，还能大袋削减二氧化碳的发生量。

在建设领域所使用的钢几乎都是普通钢，它是含有硅与锰的铁同碳的合金，铁骨也几乎都是焊接结构。现在的普通钢是由容易焊接及容易再利用的化学成分组成，但其最大抗拉强度约为500 MPa。为提高其抗拉强度，虽然添加合金元素而制造出了贝氏体钢或马氏体钢，但它们都难焊接，接头处的疲劳强度也提高不了，再说因含有贵重且妨碍再利用的合金元素，作为大批量生产资料开发就难于办到。

本研究是以容易再利用的400 MPa级钢为基础，通过结晶粒的超微细化就开发出不添加合金元素的800 MPa级钢。这种钢材具有易焊接的特点，如果开发出不破坏微细化组织的焊接工艺，那就可能用来盖更安全的更高的大厦。

（2）向抗破坏力强的1500 MPa超级高强度钢挑战。

高强度钢在许多领域的要害处被广泛使用。高层建筑物的梁柱都用1000 MPa的高电压连接的，例如“明石”大桥的主缆绳是用2000 MPa的钢丝制作的，汽车轮胎是用4000 MPa的钢绳来保持着强度。

钢的理想强度在10000~20000 MPa之间，是高强度钢开发的目标。钢绳是现在已被实际使用的材料中强度最高的，达理想强度的20%~40%。但高强度钢也有弱点，为能安全使用高强度钢，甚至要提高其高强度时必须克服其弱点。

其弱点之一是延时破坏。现在的钢是由直径几十μm的结晶粒构成的，在结晶粒间的边界处集聚着从外部入侵的氢，而在结晶界的碳化物就成为发生延时破坏的出发点。为此，采取抑制晶界碳化物的形成或分散比晶界更能吸住氢的粒子来防止延时破坏的发生。其弱点之二是疲劳破坏。疲劳破坏是小小的力10次或10'次重复而引起的，尤其1200 MPa以上的高强度钢的疲劳破坏是以存在于钢中夹杂物之类的异物等为起点引起内部破坏，即使钢的强度大，其疲劳强度也不会上升。因此，采取把夹杂物弄细些或柔软些以提高疲劳强度。

本研究致力于开发耐延时破坏或疲劳破坏的可安心使用的1500 MPa以上的高强度钢。这种钢对于21世纪建设超高层大楼或比“明石”大桥更长的超长大桥及生产二氧化碳排放量少的汽车将有更大贡献。

关于结构材料长寿命化的研究

（1）向超超临界压力发电厂用铁素体系耐热钢挑战。

现在日本利用煤炭或石油等化石燃料的火力发电量约占全国总发电量的60%。因最近对二氧化碳排放量过多引起地球温室效应的责难日益高涨，积极地开发以高温高压提高发电效率，从而减少二氧化碳的排放量。

其中之一是在煤炭火力发电方面，计划在21世纪建设超超临界压力发电厂，把转动涡轮的蒸汽温度提高到923 K，压力提高到35.5 MPa。一旦建成这种发电厂，因其发电效率就能从原有发电厂（811 K、24.9 MPa）的39.8%提高到43%，既节约了煤炭的燃烧，二氧化碳的排放量也能大幅度减少。

在高温中使用的涡轮或锅炉的钢铁材料是耐热钢，现在大量被使用的是价廉且具有高温强度的铁素体系耐热钢。现在以日欧为中心在开发高强度铁素体系耐热钢，但至今为止开发出来的材料的使用极限温度是893 K。

为达到建设923 K、35.5 MPa的超超临界压力发电厂，需要开发新铁素体系耐热钢。为火力发电厂能使用几十年，开发出在长时间仍具有充分的高温强度，而且在能耐高温水蒸气的氧化材料是必要的，焊接性或疲劳也应充分注意。要使其极限温度超过现在的893 K就必须打破旧概念，向过去所没有的崭新概念挑战。尤其是在耐氧化性的合金设计与在高温下能长时间稳定的组织设计之统一问题上要有新的突破。

（2）向通用海滨用钢的挑战

日本的人口密集在沿岸的平原地带，主要结构建筑也集中在沿岸或海滨地域。这种局面将会继续加速，结构建筑的建设也将从沿岸向洋面推进。然而，海洋对结构材料的基本构成材料的钢铁是相当苛刻的，如钢在海水中的耐腐蚀性不够强，穿孔或龟裂之类的局部性腐蚀或损伤是常见现象。现在已弄清这些现象的出现是由于在钢中非金属夹杂物或C，S，P，O等的结晶粒界的偏析为诱因发生的。

要开发出耐海水不锈钢就首先要把钢中的那些不纯夹杂物减少到最低限度。现在利用叫做冷坩埚溶化夹杂物法开发新的超清净溶解法。改善不锈钢耐海水腐蚀性的其它方法是增加Cr、Ni、Mo等添加量，现在开发的目标是以在钢中的氮含有量增加到0.6%以上的方法取而代之。

在大气中构造物的主要构成材料并不是像不锈钢那样含有10%以上的Cr或Ni的高合金钢，而是合金元素总量在1%以下的低合金钢。因这种合金钢在大气中容易生锈，一般都是油漆或电镀后才使用。由于海滨地带比清净大气中更容易生锈，要防止油漆或电镀的钢生锈，就不得不定期再油漆涂饰，其成本高，况且这种油漆工也难找到，这就需要不涂饰也能使用的不锈钢材料的出现。

因这种原因，桥梁等结构物用的耐候性钢已被开发出来，不需涂饰就能使用。、耐候性钢通常Cu、P、Cr、Ni等的总量仅低1%，在大气中放几年后的这种钢的表层就会产生保护性作用的稳定锈。一旦出现稳定锈，腐蚀就将受到很大的抑制，不涂保护层也仍然可用到几十年之久。以往的耐候性钢在海滨地带的环境就无法十分发挥其效果，为此，现在正在积极开发不涂饰也仍可用的低合金钢。

研究超级钢铁材料已取得的成果

各研究推进小组一年来取得的主要成果如下：（1）以微小样品制成平均粒径2 μm的微细铁素体——光体组织取得成功。该组织是在具有Fe 0.17%，C 0.3%，Si 1.5%的Mn组成的普通钢在奥氏体低温域施以大的形变，并在IO K/S冷却而制成的。珠光体组织的显著特点是晶界由方位差角15度以上的大角晶界组成，如果晶界不是大角，其微细化效果就无望。因为这次试验用的是微小样品，其强度试验难，但抗拉强度约相当于700 MPa的维氏硬度。

（2）以原子级水准开发了在实用材料中高强度的钢绳。在试验过程中发现掌握钢丝中的幅度100 nm的铁素体与渗碳体的微细组织各自的变形特性就能知道钢丝高强度化的关键。

（3）要开发出在长时间也不会强度降低的铁素体系耐热钢，那就必须设法使微细的马氏体组织在高温条件下仍能保持稳定。即有的钢在高温环境中长期使用后，其板条组织就容易被破坏，强度也将下降。新的9% Cr-3% W钢在长时间使用后仍能保持着初期微细板条组织的稳定性，在高温环境下也仍能长期保持着强度。

现在为开发出更高强度的钢铁材料而正在设计能抑制材料中扩散的合金及使碳化合物的析出物能微细分散的组织。

（4）在温度297.2 K、湿度为36%的环境下，利用开氏温度级显微镜对直径200 μm的1滴海水在大气中是如何腐蚀着纯铁的情况进行了连续地观察。在观察中发现在腐蚀部分的电位在发生变化，腐蚀的顶端部开始呈阳极，而后立即变成阴极，从而在形成小型电池，锈的高度除中央部位之外，其余的在250~400 nm左右。

［材料（日），1998年10月］